Strukturentwicklung dreidimensionaler Rissmuster

• Antragsteller: Dr.-Ing. Martin Hofmann; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213158658

Das Projekt zielt darauf ab, ein vertieftes Verständnis für die Mechanismen bei der Entstehung von dreidimensionalen (3D-) Rissmustern infolge inhomogener Schrumpfungsprozesse zu gewinnen.Die in der 1. Förderperiode erfolgreich entwickelte Methode der bruchmechanischen 3D-Verzweigungsanalyse auf Basis der Reihenentwicklung der Risskontur soll nun auch auf instationäre Thermoschocklastfälle bei Keramiken angewandt werden. Im Ergebnis lassen sich damit die Eindringtiefe der Risse bei Überlastsituationen und die daraus resultierende Restfestigkeit rechnerisch vorhersagen. Ergänzend soll der Einfluss der beim thermischen Spritzen von Wärmedämmschichten auftretenden Eigenspannungen auf die Rissbildung untersucht werden. Die Methode der Verzweigungsanalyse soll auch zur Analyse der sternförmigen Rissmuster, die bei Trocknung keramischer Precursormassen in Röhrchen entstehen, angewandt werden. In der zurückliegenden Förderperiode wurden erstmalig bei 3D-Rissmustern gekrümmte Bruchflächen berechnet. Dabei konnte die energetische Bevorzugung sechseckiger Querschnitte bei den Basaltsäulen gezeigt werden. Mit der dort erfolgreich demonstrierten Methode, welche auf der Annahme beruht, dass die Rissausbreitung in Richtung der maximalen Energiefreisetzungsrate erfolgt, soll nun untersucht werden, wann die bisher ungeklärte Oszillation von Bruchflächen bei Basaltsäulen auftritt.Im experimentellen Teil des Projekts sollen für die verbesserte Abbildung von Thermoschockrissen in keramischen Systemen alternative bildgebende Verfahren entwickelt werden, so dass auch Risse mit sehr kleinen Rissöffnungen detektierbar werden. Das Ziel dieser methodischen Verbesserungen ist, Rissabstände und -tiefen in einer Qualität messen zu können, die für die Verifikation der Simulationsergebnisse hinreichend ist. Als Rissabbildungsverfahren werden hierzu neben der Computerlaminographie die Serienschlifftechnik gekoppelt mit dem Farbeindringverfahren und die tomographische Mikroskopie eingesetzt. Zudem werden anstelle der bisher eingesetzten Keramik, bei der der Rissnachweis durch eine geringe Rissöffnung nach dem Thermoschock erschwert ist, besser geeignete Keramiken wie bspw. Porzellan oder Steinzeug verwendet. Darüber hinaus soll die Rissdetektion durch eine Weiterentwicklung der Software, die für die Auswertung der röntgenographisch gewonnenen 3D-Bilder eingesetzt wird, robuster gestaltet werden. Hierzu sollen in die Auswertung einzelner Schichten die benachbarten Schichten einbezogen werden. Eine Softwarelösung ist zudem beim Tracking der bei der Entwicklung der Rissmuster auftretenden Säulenübergänge vorgesehen. Mittels eines 2,5D-Ansatzes werden die Übergänge zwischen verschiedenen Säulenanordnungen identifiziert und bezüglich ihrer Häufigkeit quantifiziert. Die Analysen der experimentell erhobenen 3D-Bilder von Rissmustern in keramischen Systemen und in getrockneten Stärke-Wasser-Suspensionen werden so zum Verständnis der Entwicklung von Rissmustern beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Digitaler Flachbilddetektor
• Gerätegruppe: 4020 Röntgenkameras für Feinstruktur und Topographie