Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde

Zerstörungsfreie Werkstoffcharakterisierung

Microcomputertomographie

Die Mikrocomputertomographie (µCT) erlaubt, analog zur konventionellen Röntgen-Computertomographie, die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen hinsichtlich lokaler Dichteunterschiede. Somit können Poren, Lunker und Risse sowie unterschiedliche Phasen oder Bauteilkomponenten detektiert und analysiert werden. Hierzu wird aus Radiographien unter verschiedenen Winkeln über eine 3D-Rekonstruktion ein virtuelles 3D Modell des Werkstoffs oder Bauteils nachgebildet. Die Auflösung kann hier im Gegensatz zur medizinischen Tomographie je nach Proben bzw. Bauteilgröße im Mikrometer-Bereich liegen.

Die Mikro-CT findet sowohl in der medizinischen Bildgebung als auch in der industriellen Computertomographie sowie Werkstoffanalytik ihre Anwendung. Hier bietet sie vor allem den Vorteil einer zu vernachlässigenden Probenvorbereitung und einem gleichzeitig zerstörungsfreien Messablauf.

Das Micro-CT System Precision der Firma YXLON GmbH ermöglicht sowohl Aufnahmen großer Bauteilgruppen aus unterschiedlichen Materialien als auch hochauflösende Aufnahmen kleinerer Werkstoffproben. Eine Röhrenspannung von bis zu 225kV erlaubt dabei Aufnahmen verschiedenster Materialien wie von Aluminumlegierungen, Polymeren sowie Stählen bis zu 10mm kumulativer Dicke.

Eine eigens am IAM-WK entwickelte In-Situ Prüfvorrichtung erlaubt es, Proben während der Belastung zu scannen und Schädigungsmechanismen zu beobachten. Über digitale Bildregistrierungsverfahren können Dehnungsfelder bei verschiedenen Belastungsstufen dreidimensional errechnet und visualisiert werden.

Die Abteilung „Fertigung und Bauteilverhalten“ setzt in der µCT-Analyse dabei sowohl auf kommerzielle Software (VGStudio, Avizo) als auch selbst entwickelte OpenSource Projekte (https://sourceforge.net/p/composight/wiki/Home/ oder https://github.com/IAM-WK) um maßgeschneiderte Lösungen für Fragen in der Mikrostrukturcharakterisierung zu realisieren.

Im diesem Bereich arbeiten wir an dem Thema:

Ultraschallprüfung

Die Ultraschallprüfung dient zur zerstörungsfreien Ermittlung der elastischen Kenngrößen bis hin zu orthotropem Materialverhalten. Im Gegensatz zu quasi-statischen Experimenten, wie Zug-, Biege- oder Torsionsversuchen, handelt es sich bei der Ultraschallprüfung um dynamische Messverfahren, die auf Zeit- oder Frequenzmessungen beruhen. Die vergleichsweise geringen Amplituden der elastischen Wellen führen dabei lediglich zu kleinen Auslenkungen und verursachen damit keine nichtlinearen Effekte im Werkstoff, wodurch höhere Genauigkeiten erzielt werden können. Am IAM-WK werden drei verschiedene Verfahren der Ultraschallprüfung verwendet:

Impuls-Echo-Verfahren

Beim Impuls-Echo-Verfahren werden Ultraschallimpulse durch die zu untersuchende Probe geleitet. Aus der Zeitspanne, die ein Impuls zum Durchqueren einer Probe benötigt, lassen sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schallwellen ermitteln, aus diesen wiederum die elastischen Kenngrößen abgeleitet werden.

Ultraschallphasenspektroskopie (UPS)

Bei der Ultraschallphasenspektroskopie werden kontinuierliche Schallwellen in einem zuvor festgelegten Frequenzspektrum in die zu untersuchende Probe eingeleitet. Über die Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal kann schließlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen ermittelt werden. Im Gegensatz zum Impuls-Echo-Verfahren eignet sich die UPS besonders für die Untersuchung stark schallschwächender Proben.

Resonante Ultraschallspektroskopie (RUS)

Die Resonante Ultraschallspektroskopie ermöglicht die Bestimmung des elastischen Materialverhaltens auch an Proben im Millimeterbereich. Die elastischen Konstanten werden hierbei über die Eigenfrequenzen von Proben einfacher Geometrie ermittelt.

Im diesem Bereich arbeiten wir an dem Thema:

Magnetoelastisches Barkhausenrauschen

Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes kommt es bei ferromagnetischen Werkstoffen zum Wachstum von Domänen, die eine ähnliche Magnetisierungsorientierung wie das angelegte Magnetfeld haben. Das Wachstum erfolgt durch Verschiebung sogenannter Bloch-Wände auf Kosten der ungleich orientierten Bereiche und wird von Gitterdefekten behindert. Ab einer gewissen Feldstärke kommt es zur Überwindung der Fehlstellen und es erfolgt eine sprunghafte irreversible Wandbewegung, bis es zu einer erneuten Behinderung durch Fehlstellen kommt. Fehlstellen sind beispielsweisen Korngrenzen, Versetzungen, Leerstellen oder Einschlüsse. Der Effekt führt zu einer diskontinuierlichen Änderung der Magnetisierung. Diese Sprünge während der Magnetisierung wurden von Heinrich Barkhausen entdeckt und werden daher auch als magnetisches Barkhausenrauschen (magnetic barkhausen noise, MBN) bezeichnet. Über das MBN ist es möglich eine zerstörungsfreie Probencharakterisierung durchzuführen, da es sowohl von mechanischen als auch mikrostrukturellen Eigenschaften abhängig ist. So lassen sich über das MBN Aussagen über die Korngröße, plastische Deformation und den Eigenspannungszustand machen.

Im diesem Bereich arbeiten wir an dem Thema: