Konzeption und Durchführung von in-situ Computertomographie in der Anwendung auf Aluminiumlegierungen und Faserverbundwerkstoffe

Aufgrund der immer komplexeren Zusammensetzung von Metalllegierungen oder dem heterogenen Aufbau und anisotropen Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen ist eine Bestimmung von einzelnen Kennwerten teilweise nicht ausreichend, um das Materialverhalten hinreichend zu verstehen und zu beschreiben. Aus diesem Grund ist ein Ansatz entstanden, die etablierten Untersuchungsmethoden, wie zum Beispiel einen mechanischen Zugversuch, mit weiteren, zeitgleich stattfindenden Untersuchungsmethoden wie der Röntgen-Computertomographie oder der Schallemissionsanalyse zu ergänzen. Die als in-situ Messung bezeichnete Kombination erlaubt die direkt nachvollziehbare Verbindung von Änderungen im mechanischen Verhalten oder die Versagensinitiierung der untersuchten Probekörper anhand von visuell oder akustisch gemessenen Veränderungen im Material zu beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei elektromechanische Zug-Prüfvorrichtungen mit möglichen Maximalkräften von 500N bis zu 25 kN für die mit der Schallemissions(SE)-Messung kombinierte in-situ Röntgen-Computertomographie optimiert, wobei eine davon von Grund auf neu konstruiert wurde. Diese in-situ Prüfvorrichtungen wurden erfolgreich, sowohl in einer Labor-CT Anlage, als auch an den Synchrotronversuchseinrichtungen ESRF und SOLEIL eingesetzt. Die Untersuchungen an der Aluminiumlegierung 2024-T3 haben gezeigt, dass vor dem makroskopischen Versagen des Aluminiums, in Folge einer mechanischen Zug-Belastung, mikroskopische Risse in den vorhandenen Ausscheidungen auftreten. Diese Risse konnten im plastischen Verformungsbereich der Aluminiumlegierung mit der Röntgencomputertomographie deutlich sichtbar im Probenvolumen dargestellt werden. Die SE-Aktivität konnte durch Vergleichsmessungen mit Reinaluminium den mikroskopischen Rissen der Ausscheidungen zugeordnet werden. In einer von zwei Untersuchungen an carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) wurden Zug-Proben in einem Laststeigerungsversuch bis zum Bruch mittels synchrotronbasierter in-situ-CT bei gleichzeitiger SE-Messung geprüft. Dabei wurden die gemessenen SE-Signale eindimensional geortet und auf das Sichtfeld der CT-Messung eingegrenzt. Es erfolgte eine frequenzbasierte Klassifizierung der SE-Signale in matrix- sowie faserbruchinduzierte Signale. Eine Korrelation der Anzahl mit der SE-Messung ermittelten Faserbrüche mit der Anzahl aus den CT-Daten automatisiert detektierten Faserbrüche zeigte eine gute Korrelation und verdeutlichte die praktikable Kombination der CT- und SE-Messung zum Zweck der Schadensdetektion. Bei der zweiten Untersuchung wurden in einem Aufbau für die synchrotronbasierte in-situ CT mit gleichzeitiger SE-Messung Zug-Proben aus Faserverbundkunststoffen (CFK & GFK) mit uni- wie multiaxialen Lagenaufbauten, sowie in zwei verschiedenen Größen geprüft. Ziel der Untersuchung war es, den bei der Schallemissionsanalyse bekannten Felicity-Effekt und die diesem zu Grunde liegende Schallemissionen näher zu untersuchen. Dazu wurde die gemessenen Schallemission, mit der, mittels der CT-Messung detektierte Schadensänderung in Form von Rissen, verglichen. Der Messablauf bestand aus einem Laststeigerungsversuch mit partiellen Entlastungsstufen und Wiederholungsphasen. Der Verlauf der Schadensgröße über den Messablauf konnte anhand der CT-Daten mit einem grauwertbasierten Segmentierungsalgorithmus anschaulich visualisiert und quantisiert werden. Es konnte bei allen Proben SE sowohl bei detektiert Schadensänderung gemessen werden, als auch bei nicht mit der CT messbarer Schadensänderung. Die gemessene SE konnte letztendlich sowohl durch tribologische Effekte als auch tatsächliche Rissausbreitung erklärt werden. Für alle durchgeführten Messungen konnte gezeigt werden, dass die Kombination von SE-Messungen und CT-Messungen mit einer in-situ Zug-Prüfvorrichtung in jedem Fall ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge von SE und optisch erkennbaren Rissen ermöglicht. Durch diese Messmethode und die daraus erzielbaren Erkenntnisse ist es möglich, die Schadensinitiierung sowie die Bruchmechanismen vor dem finalen Versagen der untersuchten Proben nachvollziehbar visuell und quantifiziert darzustellen und in Folge für den individuellen Anwendungsfall nutzbar zu machen

Progressive failure monitoring and analysis in aluminium by in situ nondestructive evaluation

Damage initiation and progression in precipitate hardened alloys are typically linked to the failure of second phase particles that result from the precipitation process. These particles have been shown to be stress concentrators and crack starters as a result of both particle debonding and fracture. In this investigation, a precipitate hardened aluminium alloy (Al 2024-T3) is loaded monotonically to investigate the role the particles have in the progressive failure process. The damage process was monitored continuously by combining the acoustic emission method either with in situ scanning electron microscopy or X-ray microcomputed tomography to obtain both surface and volume microstructural information. Particles were observed to fracture only in the elastic regime of the material response, while void growth at locations predominantly near particles were found to be associated with progressive failure in the plastic region of the macroscopic response. Experimental findings were validated by fracture simulations at the scale of particle-matrix interface