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Mikroskopie und Tomographie Poster: Mi., 14:00–16:30 M-P100
Mikrotomographische Analyse und FE-Simulation von
MMC-Verbundwerkstoffen unter Last
Horst-Artur Crostack 1 , Jens Nellesen 1 , Gottfried Fischer 2 , Siegfried
Schmauder 3 , Ulrich Weber 3 , Felix Beckmann 4
1 Universität Dortmund, Fakultät Maschinenbau, Lehrstuhl für Qualitätswesen, D-
44221 Dortmund – 2 RIF e.V., Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, D-44227 Dortmund
– 3 Universität Stuttgart, Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre,
Pfaffenwaldring 32, D-70569 Stuttgart – 4 GKSS-Forschungszentrum, Max-
Planck-Str. 1, D-21502 Geesthacht
Gefügeänderungen wie Mikroverformungen und -schädigungen, die durch Zugbelastung
verursacht werden, gehen dem makroskopischen Bruch eines Bauteils voraus. Um zum
Verständnis dieser Prozesse beizutragen, werden Gefügebereiche von Zugproben auf
verschiedenen Verformungsstufen mikrotomographisch abgebildet und das Verhalten
dieser Gefügeausschnitte mit Hilfe der FE-Methode simuliert.
Die Zugproben bestehen hierbei aus partikelverstärkten Metallmatrixverbundwerkstoffen
(wie bspw. Kobalt/Diamant oder Al/TiN), welche pulvermetallurgisch hergestellt
werden. Tomogramme eines Teilvolumens des Zugprobenstegs werden aus Projektionsdaten
rekonstruiert, die in verschiedenen Verformungszuständen genommen werden.
Zur Datenerhebung werden sowohl ein mit einer Mikrofokusröntgenröhre ausgestatteter
Computertomograph als auch ein Röntgentomographiemikroskop verwendet,
das unter Verwendung monochromatischer Synchrotronstrahlung betrieben wird.
Mit Hilfe von 3D-Datenverarbeitung werden die Tomogramme in 3D-Oberflächennetze
überführt, die ausschließlich aus Dreiecken bestehen und die die Grenzflächen der Phasen
des Verbundwerkstoffes beschreiben. Diese Netze werden anschließend hinsichtlich
der Anzahl und Form der Dreiecke optimiert. Ausgehend von diesen Oberflächennetzen,
welche als Keimflächen dienen, wird ein lückenloses, nur aus Tetraedern bestehendes
3D-FE-Netz aufgebaut. Die 3D-FE-Simulationen werden sowohl unter Verwendung
von willkürlichen als auch realistischen Randbedingungen durchgeführt. Realistische
Bedingungen werden mit Hilfe einer iterativen Korrespondenzanalyse zwischen Tomogrammen
desselben Gefügebereiches in verschiedenen Verformungsstadien gewonnen.
Die Effekte der Netzfeinheit und des Typs des finiten Elements (Tetraeder oder Hexaeder)
auf die simulierten Spannungsverteilungen werden diskutiert. Das Auftreten
und die Entwicklung von plastischen Zonen in der Matrix in Abhängigkeit der außen
aufgebrachten Verschiebungsfelder wird in den Simulationen studiert. Die Orte
der errechneten maximalen Spannungen werden mit den im Tomogramm gefundenen
Positionen der Rissentstehung verglichen.