Arbeitskreis "Effiziente Schädigungscharakterisierung und Schädigungsmechanismen"

Der Arbeitskreis „Effiziente Schädigungscharakterisierung“ wurde in der ersten Förderperiode von Frau Dr. Brinnel (B05) und nachfolgend von Herrn Carl Kusche (B02) geleitet. Um eine quantitative und innerhalb des TRR 188 konsistente Charakterisierung der verwendeten Werkstoffe und der auftretenden Schädigung zu erzielen, wurden die in den B-Projekten verwendeten Methoden der optischen Mikroskopie und der Elektronenmikroskopie quantitativ verglichen. So wurde die Auswahl geeigneter Untersuchungsmethoden möglich, die, angepasst auf die jeweils vorliegende Situation, eine deutliche Erhöhung der Effizienz, der statistischen Relevanz und der Genauigkeit der Schädigungsquantifizierung zuließen. Der Arbeitskreis hat ferner die Übergabe der aus den verschiedenen Charakterisierungsverfahren gewonnenen Daten an den Projektbereich C koordiniert und diese Daten somit vollumfänglich für die Modellierung zugänglich gemacht. Der Arbeitskreis hat in der ersten Förderperiode eine gemeinsame Veröffentlichung im Sonderheft des Journals „Production Engineering“ veröffentlicht, in welcher die im TRR verwendeten Methoden zur Charakterisierung und Quantifizierung von Schädigung vorgestellt, quantitativ verglichen und somit kalibriert werden. Hierbei kam die EDX-gestützte Partikelanalyse (B04), sowie die automatisierte Charakterisierung von Schädigung mittels Deep Learning zum Einsatz (B02).

Abbildung 1: Vergleich der Ergebnisse für die Klassifizierung von Poren auf der Grundlage von Deep Learning und EDX-Analyse. a Pore, die von beiden Ansätzen korrekt als verformungsinduzierte Schädigung klassifiziert und vom Deep Learning-Ansatz als Martensitriss identifiziert wurde, b Pore, die vom Deep Learning-Ansatz als Einschluss und vom EDX als Mischung aus Hohlraum und Einschluss klassifiziert wurde, c Pore, die von beiden Ansätzen als gerissener Einschluss klassifiziert wurde

Gezeigt wurde hier sowohl die quantitative Vergleichbarkeit der beiden Ansätze über die erhaltene Porengrößenstatistik, als auch die Vorteile dieser hochauflösenden Methoden im Vergleich zu klassischerweise eingesetzter Lichtmikroskopie zur Charakterisierung der Schädigung. Dies ist in Abbildung 2 ersichtlich: Die im TRR188 eingesetzten hochauflösenden und statistisch relevanten REM-Methoden detektieren und quantifizieren Poren einer durch die Lichtmikroskopie nicht ausreichend auflösbaren Größe im Bereich von deutlich < 1 µm². Dagegen induziert die Lichtmikroskopie durch ihre fehlende individuelle Charakterisierung und Klassifizierung der Poren einen hohen quantitativen Fehler durch große Poren, welche in den REM-basierten Methoden als Einschlüsse erkannt werden.

Abbildung 2: Kumulative Porenfläche im Vergleich zur individuellen Porenfläche bei SEM- und optischen Messungen.

Zusätzlich wurde in dieser Veröffentlichung die Methode des „µ-Cantilever-Biegens“ als Ansatz zur Quantifizierung der für die Modellierung der Schädigungsinitiierung relevanten Kenngröße der Bruchzähigkeitvorgestellt (Abbildung 3).

Abbildung 3: a Mikro-Cantilever, zur Analyse der Bruchzähigkeit einer Martensitinsel. b Die Kraft-Weg-Kurve des Biegeversuchs mit mehreren angegebenen Entlastungssegmenten. c-g REM-Aufnahmen der Martensitinsel zur Überwachung des Risswachstums. Die Zahlen korrelieren die Aufnahmen mit der Kraft-Weg-Kurve in b.

Im Arbeitskreis „Effiziente Schädigungscharakterisierung und Schädigungsmechanismen“ sollen in der 2. Förderperiode die in der 1. Förderperiode erarbeiteten neuen Methoden genutzt werden. Für die untersuchten Werkstoffe konnten in der ersten Förderperiode die grundlegenden Schädigungsmechanismen identifiziert werden. Bisher nicht systematisch untersucht sind jedoch deren Evolution und Ausprägung im Verhältnis zum Lastpfad. Daher soll der Fokus des Arbeitskreises „Effiziente Schädigungscharaktierisierung“ in der 2. Förderperiode auf diese Mechanismen der Schädigungsinitiierung und -evolution verlagert werden. Hierzu sollen die Verfahren und Ergebnisse der im Projektbereich B durchgeführten In-situ-Versuche auf Mikro- und Mesoebene mit Untersuchungen der Bauteile aus dem Projektbereich A verknüpft werden. So können die in Zusammenhang gebrachten Erkenntnisse über den Ablauf der Schädigungsmechanismen in weiterer Folge in die erstellten Modelle des Projektbereichs C integriert werden. Damit wird durch die Vernetzung der Teilprojekte im Arbeitskreis „Effiziente Schädigungscharakterisierung“ eine skalen- und projektbereichsübergreifende Integration von Erkenntnissen über die ablaufenden Schädigungsmechanismen hergestellt.

 

Leitung
Teilprojekt B04
Anthony Dunlap M.Sc.
Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie, RWTH Aachen