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Digitale Bildkorrelation in der Werkstoffkunde
–
Eine effiziente Methode zur Charakterisierung der
Schädigungsentwicklung
Dr.-Ing. Thomas Niendorf
Neue Methoden der Werkstoffprüfung
2
1. Theoretische Grundlagen
• Dehnungsmessung
• Digitale Bildkorrelation (DIC)
2. DIC in der Literatur
3. Experimentelles
• Probenvorbereitung
• Verwendete Geräte
• Versuchsdurchführung
Inhalt
DIC in der Werkstoffkunde
3
4. Versuche unter monotoner Last
• Untersuchte Systeme / Fragestellungen
• Ergebnisse
5. Ermüdungsexperimente
• Untersuchte Systeme / Fragestellungen
• Ergebnisse
Inhalt
DIC in der Werkstoffkunde
4
Dehnungsmessung in der Materialprüfung
• Dehnungsmessstreifen (DMS)
• nur kleine Dehnungen (~ 1 %)
• geringes Temperaturintervall
• Extensometer
• diverse Bauformen
• hohe Prüffrequenzen kritisch
• Optische Verfahren
• Laserextensometer
• optische Messstreifen
• thermische Analyse
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Kontakt erforderlich
Mittelwert
5
Digitale Bildkorrelation (DIC)
• berührungsloses Verfahren
• benötigt Bildmaterial (Graustufen)
• 2D- und 3D-DIC verfügbar
• hohe Auflösung möglich
• große Dehnungen messbar
• Messungen an Proben
und Bauteilen
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Lokale
Dehnungsverteilung
6
Vorgehen bei einer DIC Messung
• Oberflächenpräparation
• Referenzaufnahme des unverformten Zustands
• Aufnahmen der verformten Zustände
• Berechnung der Oberflächenverschiebungen /-dehnungen
• Graphische Darstellung der Ergebnisse
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
7
Generelle Anforderungen an die Oberflächen
• Oberflächenmuster ist an die Messaufgabe anzupassen
• beschränkt Auflösung
• Grauwertkontrast erforderlich
• möglichst fein verteilt
• nicht periodisch
• stochastisch über die Oberfläche verteilt
• keine Kontraständerung während Messung
• Partikel unverformbar/ ortsfest
• keine Oxidation
• keine neuen Kontraste, z.B. Gleitstufen, …
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
8
Generelle Anforderungen an die Oberflächen
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
natürliche unregelmäßige Probenoberfläche
künstlich aufgebrachtes Punktemuster
9
Versuchsbegleitende Aufnahmen
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
80 µm
Unverformt
Referenzaufnahme
Dl = 1 mm Dl = 3 mm
Aufnahmen bei bekannter globaler Verformung
Verfolgung lokaler Verschiebungen über Mustererkennung
10
Versuchsbegleitende Aufnahmen
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Verfolgung lokaler Verschiebungen über Mustererkennung
Berechnung von Dehnungen aus den ermittelten
Verschiebungsfeldern (Verschiebungen/Verzerrungen)
2 2
xx
u 1 u v[ ]
x 2 x x (0.1)
2 2
yy
v 1 u v[ ]
y 2 y y (0.2)
xy
1 u v 1 u u v v[ ] [ ]
2 y x 2 x y x y
11
Ermittlung der Verschiebungen mittels DIC
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Verschiebung des Punktes P:
x* = x + u + du/dx Dx + du/dy Dy
y* = y + v + dv/dx Dx + dv/dy Dy
Verschiebung des Punktes O:
x* = x + u
y* = y + v
Verwendung von „Subsets“
Unterteilung der Aufnahmen
in endlich viele Subbereiche
Quelle: Kirugulige et. al. Measurement of transient deformations using DIC
12
Ermittlung der Verschiebungen mittels DIC
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Verwendung von „Subsets“
Anpassung der Subset-Größe für jede Berechnung erforderlich
• Subsets möglichst groß für sichere Berechnung
• Subsets möglichst klein für hohe Auflösung
13
Ermittlung der Verschiebungen mittels DIC
Anpassung der Subset-Schrittweite für jede Berechnung erforderlich
• Schrittweite möglichst groß für schnelle Berechnung
• Schrittweite möglichst klein für hohe Auflösung
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Verwendung von „Subsets“
14
Ermittlung der Verschiebungen mittels DIC
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Verwendung von „Subsets“
Auflösung vs. Rauschen
Auflösung vs. Rechenzeit
Anpassung der Subset-Größe für jede Berechnung erforderlich
• Subsets möglichst groß für sichere Berechnung
• Subsets möglichst klein für hohe Auflösung
Anpassung der Subset-Schrittweite für jede Berechnung erforderlich
• Schrittweite möglichst groß für schnelle Berechnung
• Schrittweite möglichst klein für hohe Auflösung
15
Ermittlung der Verschiebungen mittels DIC
• Zuordnung eines Grauwertes von 0 bis 127 für jeden Pixel
im Referenzbild Grauwert = f(Helligkeit)
Grauwertmatrizen
• Suche von ähnlichen Matrizen im Folgebild
Cross Correlation Coefficient rij
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
bei der Zuordnung durch:
* *
* *
i j i ji j
ij2 2
1 2 1 2 i j i ji j i j
[F(x ,y ) F][G(x ,y ) G]u u v vr (u,v, , , , ) 1
x x x x [F(x ,y ) F] [G(x ,y ) G]
F: Grauwerte der Referenzaufnahme; G: Grauwerte der verformten Aufnahme
16
Interpolation
• Anwendung verschiedener Interpolationsverfahren
• Max. mögliche Auflösung
der Verschiebungen
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
1/50 der Pixelgröße
Quelle: Sutton M.A.: Advances in Two-Dimensional and Three-Dimensional Computer Vision
17
Ermittlung der Verschiebungen mittels DIC
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
bei der Zuordnung durch:
* *
* *
i j i ji j
ij2 2
1 2 1 2 i j i ji j i j
[F(x ,y ) F][G(x ,y ) G]u u v vr (u,v, , , , ) 1
x x x x [F(x ,y ) F] [G(x ,y ) G]
Cross Correlation Coefficient rij
• rij = 0 für exakte Lösung
• Aber: Interpolierte Grauwertintensitäten
• Daher: Minimierung von rij ist Zielgröße
umliegenden Pixelpunkte.
Numerische Verfahrensroutinen:
Correlation Coefficient Curve-fitting, Coarse-fine, …Quelle: Abante-Bueno et.al. Investigation of crack growth in functionally graded materials
18
Darstellung der DIC Ergebnisse
• Graphische Farbdarstellungen
(in-/ teiltransparent)
• Verschiebungen
• Dehnungen
• Hauptdehnungen
• Korrelationsgüte
• …
1. Grundlagen
DIC in der Werkstoffkunde
Quelle: Correlated Solutions
19
Einsatz von DIC für folgende Fragestellungen(punktuelle Auflistung ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
• Verformungsverhalten von Blechen im Walzprozess
• Versagen in Laminatwerkstoffen
• Rissausbreitungsverhalten
(über Tomographie auch in 3D)
• Verformungsverhalten von Biomaterialien
(Knochen, …)
• Thermische Ausdehnung dünner Schichten
2. DIC in der Literatur
DIC in der Werkstoffkunde
Quelle: Dendorfer et al.
20
2. DIC in der Literatur
DIC in der Werkstoffkunde
Einsatz von DIC für folgende Fragestellungen
• Portevin-Le Châtelier Effekt
• Schädigung unter mehrachsiger Belastung
• Dehnratenempfindlichkeit
• Phasenumwandlungsverhalten
in FormgedächtnislegierungenSMA
• …
21
2. DIC in der Literatur
DIC in der Werkstoffkunde
Einsatz von DIC für folgende Fragestellungen
• Phasenumwandlungsverhalten
in FormgedächtnislegierungenSMA
Quelle: Dadda et al.
[001]-CoNiGa-Einkristall
22
Einsatz von DIC
Lokale Dehnungsanalyse zur Charakterisierung der
• Schädigungsinitiierung
• Schädigungsentwicklung
unter
• monotoner Last
• zyklischer Last
auf
• makroskopischer Ebene
• mikroskopischer Ebene.
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
23
Kontrastbildung auf der Oberfläche
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Natürlich
Künstlich
CFK BG
Si-Pulver
Elektro-Chemisch
1 mm
grob
fein
Farbmarkierungen0,5 mm
24
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Bose ElectroForce
• Maximalkraft +/- 15 kN
• fmax ~ 100 Hz
Nikon Digitalkamera
• 12 Megapixel
• Makroobjektiv
makro
25
MTS servo-hydraulisch
• Maximalkraft +/- 100 kN
• fmax ~ 40 Hz
• Heizung induktiv, …
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Keyence Digitalmikroskop
• Weitbereichsobjektiv,
Arbeitsabstand: 85 mm
• 50-500 x
• 1200 x 1400 Pixel
• max. Aufnahmefrequenz: 0,3 Hz
• getriggert über MTS
meso-mikro
26
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Laser-Scanning Konfokal-Mikroskop (CLSM) / REM
Miniaturlastrahmen
• Maximalkraft +/- 10 kN
• max. Traversengeschwindigkeit
30 µm/s
• Kontaktheizung
mikro
27
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Laser-Scanning Konfokal-Mikroskop (CLSM)
Darstellungsformen
Lichtmikroskopie
Intensitätsverteilung
3D-Oberflächentopographie
Optimale Eingangsdaten für DIC
28
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Versuchsdurchführung
Monoton
Zyklisch
Versuche unterbrochen
für Aufnahmen in
definierten Intervallen
29
3. Experimentelles
DIC in der Werkstoffkunde
Software VIC-2D (Limess Messtechnik / Correlated Solutions)
Auch als 3D Version erhältlich
Erfordert andere Input-Daten
Pre-Processing
Post-Processing
30
Einsatz von DIC bei monotoner Belastung
• Verformungsverhalten von UFG IF Stahl unter monotoner
Druckbelastung
• Einfluss einer lokalen Textur auf das monotone
Verformungsverhalten von TWIP Stahl
• Verformungs- und Schädigungsverhalten von Ti-6Al-4V-
Gitterstrukturen hergestellt mittels SLM
• Einfluss biaxialer Belastungen auf das
Phasenumwandlungsverhalten in NiTi-FGL
• Verformungsverhalten mikrostrukturell gradierter
Materialien
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
31
Verformungsverhalten von UFG IF Stahl unter monotoner
Druckbelastung
• UFG IF Stahl: Ultrafeinkörniger Stahl, Korngröße ~ 500 nm
• hergestellt mittels ECAP (equal channel angular pressing)
• hohe Festigkeit + hohe Duktilität
• Aber: Versagensverhalten oftmals untypisch
• Frage: Hat der Herstellungsprozess einen Einfluss auf das
Versagensverhalten und wie früh äußert er sich dann?
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
32
Verformungsverhalten von UFG IF Stahl unter monotoner
Druckbelastung
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
ECAP:
Massive plast. Verformung
führt zur Kornfeinung
ECAP Gesenk
33
Verformungsverhalten von UFG IF Stahl unter monotoner
Druckbelastung
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
UFG zeigen erhöhte
Dehnratensensitivität
DIC: Dehnratenwechsel
Unterschiede in Homogenität
der Dehnung bei RT und 200°C(bei identischer globaler Dehnung)
Scheinbar längere Versetzungs-
gleitwege bei 200°C trotz
UFG Mikrostruktur
Klein- /Großwinkelkorngrenzen
34
Einfluss einer lokalen Textur auf das monotone
Verformungsverhalten von TWIP Stahl
• TWIP Stahl: Hochmanganhaltiger Stahl
• Verfestigung durch Zwillingsbildung
• kommerzielle Güte, Halbzeug: Blech
• hohe Festigkeit + hohe Duktilität
• deutliche Oberflächenaufrauhung im Zugversuch
• Frage: Inwieweit beeinflussen Temperatur und lokale Textur
die lokale Dehnung bzw. Topographie?
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
35
Einfluss einer lokalen Textur auf das monotone
Verformungsverhalten von TWIP Stahl
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
Dehnungsverteilung als f(t,T)
heterogeneres Feld bei 473K Zwillingsbildung
unterdrückt
EBSD:
Korngröße ~2-5 µm
Keine Einzelkorn-
Phänomene
36
Einfluss einer lokalen Textur auf das monotone
Verformungsverhalten von TWIP Stahl
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
Entwicklung der Oberflächentopographie als Funktion der Dehnung
(Fläche mit Si-Partikeln bedeckt)
Zusammenhang zwischen lokaler Dehnung und
Topographie deutlich sichtbar
37
Einfluss einer lokalen Textur auf das monotone
Verformungsverhalten von TWIP Stahl
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
80 um
DIC:
Dehnungsverteilung bei
t = 30% und RT
Inverse Polfiguren:
Lokale Textur in
markierten Bereichen
vor der Verformung(Belastungsrichtung)
Zusammenhang zwischen
lokaler Textur und Verformung
38
Verformungs- und Schädigungsverhalten von Ti-6Al-4V-
Gitterstrukturen hergestellt mittels SLM
• SLM: Selective Laser Melting, Lokales Aufschmelzen von
Metallpulver Additive Fertigung
• Einfache Realisierung von extrem leicht bauenden
Gitterstrukturen
• Struktur kann belastungsoptimiert ausgebildet werden
• Fragen: Wie wechselwirken Geometrie, Mikrostruktur und
Verformungs-/ Schädigungsverhalten?
Gibt es eine Möglichkeit zur Frühdetektion?
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
39
Verformungs- und Schädigungsverhalten von Ti-6Al-4V-
Gitterstrukturen hergestellt mittels SLM
Untersuchung im REM hohe Tiefenschärfe
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
In-situ Verformung:
as SLMed
Heat treated
Gitterstruktur mit
Standardgeometrie
StarCross
(Kantenlänge 10 mm)
Verformungsverhalten unter Druckbelastung(Lastabfall: Haltepunkte für REM-Aufnahmen)
40
Verformungs- und Schädigungsverhalten von Ti-6Al-4V-
Gitterstrukturen hergestellt mittels SLM
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
Gitterstruktur nach
den Versuchen
a: direkt nach SLM
b: wärmebehandelt
Schadensrelevante Poren in den
Knoten der Struktur
EBSD Phasen-Analysen
Mikrostrukturelle
Aspekte geklärt
Frühdetektion möglich ?
41
Verformungs- und Schädigungsverhalten von Ti-6Al-4V-
Gitterstrukturen hergestellt mittels SLM
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
Struktur vor dem
Versagen
DIC Analyse zu a
Geschädigte Struktur
Frühdetektion
möglich ?
JA!
42
Einfluss biaxialer Belastungen auf das
Phasenumwandlungsverhalten in NiTi-FGL
• NiTi-Formgedächtnislegierungen zeigen eine (reversible)
martensitische Phasenumwandlung bei Verformung
• Einfluss der Kornorientierungen/Textur auf die
Martensitumwandlung ist bekannt bei einachsiger Belastung
• gekerbte Strukturen unterliegen mehrachsigen Belastungen
• Frage: Wie wirkt sich eine biaxiale Belastung an einer
gekerbten NiTi-Probe aus?
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
43
Einfluss biaxialer Belastungen auf das
Phasenumwandlungsverhalten in NiTi-FGL
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
NiTi Probe mit überlagerter
EBSD IPF-Map
Ortsaufgelöste Informationen
zu Körnern/Texturen
+DIC Analyse der
Dehnungsverteilung an der Kerbe
44
Einfluss biaxialer Belastungen auf das
Phasenumwandlungsverhalten in NiTi-FGL
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
+ Berechnung lokaler
Spannungen durch FEM
Aussagen zum lokalen
Umwandlungsverhalten
Martensitvarianten
-auswahl
Spannung-Dehnung
Verhalten
45
Verformungsverhalten mikrostrukturell gradierter Materialien
• Mikrostrukturelle Gradierung erlaubt die lokale Anpassung
von Eigenschaften auf die Belastung
• Gradierung ist über lokale Wärmebehandlungen möglich
• über die additive Fertigung kann die Mikrostruktur direkt
eingestellt werden
• Frage: Wie wirken sich die Übergangsbereiche auf das
monotone Verhalten aus?
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
46
Verformungsverhalten mikrostrukturell gradierter Materialien
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
Vorverformter TWIP-Stahl
Lokale Erholung/
Rekristallisation
Konduktiv/Induktiv/
Laser/ElektronenstrahlDIC Analyse der
Dehnungsverteilung im
Zugversuch
FHT
47
Verformungsverhalten mikrostrukturell gradierter Materialien
4. Versuche unter monotoner Last
DIC in der Werkstoffkunde
Lokales
Verformungsverhalten
Direkte Mikrostruktur-
beeinflussung über SLM
48
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Einsatz von DIC bei zyklischer Belastung
• Delamination durch Matrixversagen in Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV)
• Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens in
UFG IF Stahl
• Rissinitiierung in TiAl-Legierungen bei hohen Temperaturen
• Entwicklung der Schädigung in nanoskaligen
Polyelektrolytbeschichtungen auf NiTi-FGL Substraten
• Rissausbreitung in nanokristallinen NiCo-Legierungen
• Ermüdung von eisenbasierten FGL und TiTa HT-FGL
49
Delamination durch Matrixversagen in Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV)
• FKV zeigen je nach versagensrelevanter Komponente
(Faser/Matrix) grundlegend unterschiedliches
Versagensverhalten
• Optimierung von Sandwichstrukturen und Faserverläufen bei
komplex geformten Bauteilen ist von großem Interesse, um
ein möglichst geringes Bauteilgewicht zu erzielen
• Frage: Unter welchen Bedingungen kann DIC zur Prüfung
und Optimierung von Bauteilen aus FKV eingesetzt werden?
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
50
Delamination durch Matrixversagen in Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV)
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
175
350
700
1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000
Ma
x. K
raft
Fm
ax
[N]
Bruchlastspielzahl NB [-]
CFK-KV
• Faserversagen durch Normalspannungen nicht vorhersagbar
• Matrixversagen durch Schubspannungen gut örtlich bestimmbar
• Idee: Ermittlung der Dehnungsverteilung über DIC nach
(extrem) geringen Lastwechselzahlen
Versagenskritische Bereiche F
51
Delamination durch Matrixversagen in Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV)
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Dehnungsverteilung im Bereich der
Fügezone (T-Stoß)
Delamination in der Matrix des FKV
nach Ermüdungsbelastung
Effiziente Charakterisierung
des Bauteils hinsichtlich
versagenskritischer Stellen
52
Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens in
UFG IF Stahl
• UFG Werkstoffe zeigen ein stark prozessroutenabhängiges
Verhalten in ihren Ermüdungseigenschaften
• Schädigungsentwicklung ist sehr ungewöhnlich
• bruchmechanische Eigenschaften sind ungünstig
• Frage: Welche mikrostrukturellen Konfigurationen sorgen für
die Rissinitiierung in UFG IF Stahl?
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
53
Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens in
UFG IF Stahl
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Versuchsführung unter
Berücksichtigung von
Mitteldehnungen
Aufnahmezyklus für
die DIC Analyse
Rissausbreitung unter
45° UFG IF Stahl
8BC – Probenflanke
54
Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens in
UFG IF Stahl
Routenabhängiges
Schädigungsverhalten
DIC weist bereits früh
kritische Bereiche aus
Dynamische Skalierung
Berücksichtigung
der Mitteldehnungseffekte
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
55
Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens in
UFG IF Stahl
DIC Analyse erlaubt:
Mikrostrukturelle
Charakterisierung im
ungeschädigten Zustand
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Aufklärung schadens-
verantwortlicher Strukturen
UFG IF Stahl:
Klein-/Großwinkelkorngrenzen
56
Charakterisierung des Rissinitiierungsverhaltens in
UFG IF Stahl
Erhöhung der
Belastungsgröße
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Strukturen bereits nach
dem 1. Zyklus sichtbar
Eindeutige Korrelation
zum Herstellprozess
57
Rissinitiierung in TiAl-Legierungen bei hohen Temperaturen
• TiAl-Legierungen zeigen ein sehr sprödes Materialverhalten
unterhalb der DBTT (Spröd-Duktil Übergangstemperatur)
• Mikrostruktur kann gezielt eingestellt werden
lamellar, globular oder bimodal
• Wechselwirkungen Mikrostruktur-Schädigungsentwicklung
sind von großem Interesse
• Frage: Ist eine Detektion des Rissinitiierungsorts in
Hochtemperaturversuchen möglich?
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
58
Rissinitiierung in TiAl-Legierungen bei hohen Temperaturen
Für Versuche bei erhöhten Temperaturen
gilt zu beachten:
Änderungen im Grauwertkontrast
aufgrund Oxidation oder Partikel-
verlust sind nicht tolerierbar
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Voroxidierter AusgangszustandDetektion Rissinitiierungsort
bei einem RT-Versuch
59
Rissinitiierung in TiAl-Legierungen bei hohen Temperaturen
Entwicklung der lokale Dehnung in TiAl
bei Ermüdung in Luft bei 700°C
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Oxidierte Rissinitiierungsorte
Auch Risse auf der Flanke sind
sichtbar (nicht direkt beobachtet)
60
Entwicklung der Schädigung in nanoskaligen
Polyelektrolytbeschichtungen auf NiTi-FGL Substraten
• nanoskalige Polyelektrolytschichten Reduzierung des
Ni-Release im Bereich von NiTi-Implantaten
• Polyelektrolytschichten sind gut verformbar
• bei Ermüdung in einem Bodyfluid kommt es jedoch lokal zur
Rissbildung
• Frage: Welche Substrateigenschaften sind bezüglich des
Schichtversagens kritisch?
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
61
Entwicklung der Schädigung in nanoskaligen
Polyelektrolytbeschichtungen auf NiTi-FGL Substraten
Pseudoelastische Spannung-Dehnung einer
NiTi Formgedächtnislegierung
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Globales
Verformungsverhalten Ausbildung lokaler
Defekte
( im Korninneren)
Schematische
Darstellung der
Vorgehensweise
62
Entwicklung der Schädigung in nanoskaligen
Polyelektrolytbeschichtungen auf NiTi-FGL Substraten
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Entwicklung lokaler Verformungen sowie der Topographie als Funktion
der globalen Dehnung
Lokale Dehnungen sowie
Oberflächentopographien
sind nicht homogen verteilt
Orientierungsabhängige
Verformungseigenschaften
reversibel
63
Entwicklung der Schädigung in nanoskaligen
Polyelektrolytbeschichtungen auf NiTi-FGL Substraten
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Analyse der tatsächlich
auftretenden Dehnungen
über Profillängenvergleich
Korrelation von lokaler
Verformung, Topographie
und mikrostrukturellen
Ausprägungen
Schichtversagen in
Bereichen höchster
Dehnungsgradienten
64
Rissausbreitung in nanokristallinen NiCo-Legierungen
• nanoskalige Werkstoffe zeigen zumeist ein sehr ungünstiges
Rissausbreitungsverhalten
• Ursächlich sind der wenig gewundene Risspfad sowie kaum
vorhandenes Rissschließen
• die untersuchten nanoskaligen NiCo-Legierungen zeigen
jedoch gute Rissausbreitungseigenschaften
• Frage: Was ist bruchmechanisch betrachtet eine mögliche
Ursache?
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
65
Rissausbreitung in nanokristallinen NiCo-Legierungen
Ermittlung der den
Riss umgebenden
Verschiebungsfelder
Größe der plastischen
Zone als Funktion der
Risslänge ist gut
auflösbar
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
66
Rissausbreitung in nanokristallinen NiCo-Legierungen
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Bestimmung
des CTOD(crack tip opening
displacement)
Rissschließen
erkennbar
Verbessertes
Rissausbreitungs-
verhalten
67
Ermüdung von eisenbasierten FGL und TiTa HT-FGL
• aktuelle Entwicklungen im Bereich der FGL zielen auf zwei
wesentliche Aspekte
• kostengünstige FGL durch den Einsatz Fe-basierter
Legierungen
• HT-FGL, die oberhalb von 100°C Formgedächtnis-
eigenschaften aufweisen
• Frage: Wie stellt sich das Ermüdungsverhalten dieser neuen
Entwicklungen dar?
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
68
Ermüdung von eisenbasierten FGL und TiTa HT-FGL
FGL:
Unterscheidung zwischen funktioneller
und struktureller Ermüdung
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Funktionelle
Ermüdung von
FeNiCoAlTa
Martensitstabilisierung
und Rissbildung
Versetzungs-
aktivität
69
Ermüdung von eisenbasierten FGL und TiTa HT-FGL
5. Ermüdungsexperimente
DIC in der Werkstoffkunde
Rissbildung
aufgrund von
Dehnungs-
anisotropie
Textur
Funktionelle und
strukturelle
Ermüdung von
TiTaAl
70
Die in diesem Vortrag gezeigten Ergebnisse sind veröffentlicht in:
• T. Niendorf, J. Dadda, D.Canadinc, H.J. Maier, I. Karaman: Monitoring the Fatigue-Induced Damage Evolution in Ultrafine-grained Interstitial-free
Steel Utilizing Digital Image Correlation, Mater. Sci. Eng. A517, 2009, 225-234.
• T. Niendorf, C. Burs, D.Canadinc, H.J. Maier: Early detection of crack initiation sites in TiAl alloys during low-cycle fatigue at high temperatures
utilizing digital image correlation, Int. J. Mater. Res. 100, 2009, 603-608.
• T. Niendorf, H.J. Maier: Charakterisierung der Schädigungsentwicklung in ultrafeinkörnigem IF Stahl mittels digitaler Bildkorrelation,
MP Materials Testing 52, 2010, 27-35.
• D. Canadinc, T. Niendorf, H.J. Maier: On the Coupled Temperature – Strain Rate Sensitivity of Ultrafine-grained Interstitial-free Steel,
Scripta Mater. 63, 2010, 544-547.
• T. Niendorf, H.J. Maier: Hochauflösende in-situ-Verformungsanalyse: Neue Einsichten in die Vorgänge an der Werkstoffoberfläche?, Konstruktion,
Werkstoffentwicklung und Schadensanalyse, Proc. Tagung WP 2010, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, 2010.
• T. Niendorf, D. Canadinc, H.J. Maier: Fatigue Damage Evolution in Ultrafine-grained interstitial-free steel, Adv. Eng. Mater. 13, 2011, 275-280.
• J. Lackmann, T. Niendorf, M. Maxisch, G. Grundmeier, H.J. Maier: High-resolution in-situ characterization of the surface evolution of a polycrystalline
NiTi SMA-alloy under pseudoelastic deformation, Mater. Charact. 62, 2011, 298-303.
• C.J. Rüsing, T. Niendorf, J. Lackmann, A. Frehn, H.J. Maier: Microstructure-deformation relationships in fine grained high manganese TWIP steel –
the role of local texture, Int. J. Mater. Res. 103, 2012, 12-16.
• B. Gorny, T. Niendorf, J. Lackmann, M. Thöne, T. Tröster, H.J. Maier: In-situ characterization of the deformation and failure behavior of non-stochastic
porous structures processed by selective laser melting, Mater. Sci. Eng. A528, 2011, 7962-7967.
• T. Niendorf, J. Lackmann, B. Gorny, H.J. Maier: In-situ characterization of martensite variant formation in nickel-titanium shape memory alloy under
biaxial loading, Scripta Mater. 65, 2011, 915-918.
• M.D. Sangid, G.J. Pataky, H. Sehitoglu, T. Niendorf, H.J. Maier: Superior fatigue crack growth resistance, irreversibility, and fatigue crack growth–
microstructure relationship of nanocrystalline alloys, Acta Mater. 59, 2011, 7340-7355.
• T. Niendorf, S. Leuders, A. Riemer, F. Brenne, T. Tröster, H.A. Richard, D. Schwarze: Functionally graded alloys obtained by additive manufacturing,
Adv. Eng. Mater. 16, 2014, 857-861.
• P. Krooß, C. Somsen, T. Niendorf, M. Schaper, I. Karaman, Y. Chumlyakov, G. Eggeler, H.J. Maier: Cyclic degradation mechanisms in aged
FeNiCoAlTa shape memory single crystals, Acta Mater. 79, 2014, 126-137.
• T. Niendorf, P. Krooß, E. Batyrsina, A. Paulsen, Y. Motemani, A. Ludwig, P. Buenconsejo, J. Frenzel, G. Eggeler, H.J. Maier: Functional and structural
fatigue of Titanium tantalum high temperature shape memory alloys (HT SMAs), Mater. Sci. Eng. A620, 2014, 359-366.
Publikationsverzeichnis
DIC in der Werkstoffkunde
71
Bei der DIC ist in jedem Fall zu beachten, dass:
• das Speckle-Muster der Messaufgabe anzupassen ist;
• Veränderungen der Probenoberfläche während des Versuchs nicht
zulässig sind;
• die Korrelationsparameter sinnvoll zu wählen sind.
DIC kann im Rahmen diverser Versuchsreihen gewinnbringend
eingesetzt werden, da:
• DIC unter diversen Randbedingungen gut einzusetzen ist;
• Gradierte Strukturen eine lokale Auflösung von Dehnungen
erfordern;
• unter monotoner und vor allem zyklischer Last eine
Schadensfrüherkennung möglich ist;
• die mikrostrukturellen Ursachen für die Schädigung eindeutig im
nicht zerstörten Zustand identifizierbar sind.
Zusammenfassung
DIC in der Werkstoffkunde
72
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
DIC in der Werkstoffkunde
Gedankt an dieser Stelle sei:
• Allen Kollegen des LWK der Universität Paderborn, die ihre DIC-Ergebnisse für
diesen Vortrag zur Verfügung gestellt haben.
• Der DFG und den weiteren Fördermittelgebern für die Finanzierung der Projekte.
• Den Kollegen der University of Illinois in Urbana-Champaign.