Mechanische Untersuchungen an Mikroproben

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Unsere mikromechanischen Versuchsaufbauten sind für die Untersuchung von Proben im Mikrometerbereich optimiert. Dies ermöglicht uns die Untersuchung kleinster Bauteile sowie die Bestimmung lokaler Eigenschaften makroskopischer Bauteile. Damit können mechanische Skalen- und Skalierungseffekte, die bei der Miniaturisierung zusätzliche Streuung in den mechanischen Eigenschaften verursachen, charakterisiert werden. Mikromechanische Versuche dienen dazu diese Streuungen statistisch abzubilden.

 

Wir bestimmen die Materialeigenschaften unserer Mikroproben mit Hilfe quasistatischer und zyklischer Zug- und Biegeversuche. Diese Versuche können kraft- oder verschiebungskontrolliert durchgeführt werden. Zudem bieten wir dehnungskontrollierte Ermüdungszugversuche an. Diese kommen häufig im plastischen Bereich zum Einsatz, also außerhalb des Gültigkeitsbereiches der technischen Spannung.

 

Für Ermüdungsversuche bei hohen und sehr hohen Lastspielzahlenm, bis zu zehn Milliarden (1010),steht uns mit der multiaxialen Resonanzapparatur ein eigens entwickelter Versuchsaufbau zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch eine ausgeprägte Empfindlichkeit zur Detektion früher Ermüdungsschädigungen, von der Gleitbandbildung bis hin zum Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse, aus. 

 

Einerseits können unsere Mikroversuche dabei an DIN-Normen der Makrowelt angelehnt sein. Andererseits befähigt uns die Modularität unserer Aufbauten, uns stetig weiterzuentwickeln und dabei auch auf Kundenwünsche bei Setupoptimierungen und Neuentwicklungen einzugehen. Anpassungsmöglichkeiten bestehen beispielweise bei der Mechanik und der Regelung, bei der Versuchsdurchführung und der verwendeten Sensorik. Unsere Versuchsaufbauten werden auch genutzt, um die Eigenschaften unserer selbst entwickelten Metamaterialien zu bestimmen.

Mikroproben: Präparation, Qualitätskontrolle und Vermessung

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Drei Mikroproben im Größenvergleich: Probe für Biegeresonanzversuche (oben), Biegeversuche (Mitte) und Zugversuche (unten).

Präparation

Neben Bauteiltests extrahieren wir Proben aus relevanten Bereichen ihrer Bauteile, um  lokale mechanische Eigenschaften zu ermitteln. Dabei kommen verschiedene Verfahren zur Probenherstellung zum Einsatz. Wir können Mikroproben/Bauteile mit einer Dicke zwischen 10 µm und 1000 µm testen, wobei die übliche Probendicke bei ca. 200 µm liegt. Die Probengeometrie wird den jeweiligen Projektanforderungen und dem zu testenden Material angepasst. Gleiches gilt für die Probenherstellung. Folgende Methoden zur Probenherstellung stehen zur Verfügung:

Laserschneiden

Mikrodrahterosion

Stanzen

Fräsen

Elektropolitur

Mechanische Schleif- und feinste chemisch-mechanische Polierschritte

 

 

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(a) Mikrozug- und Biegeprobe. In den blau markierten Bereichen (L, M, R) werden Dicke und Breite der Probe vermessen. (b) Automatisierte Probenvermessung an einer gefrästen Biegeprobe. Die Probengeometrie wird mit Hilfe eines speziellen Software-Tools vermessen. Dabei tastet sich die Software von beiden Seiten bis zum Bereich eines starken Kontrastunterschiedes vor und detektiert dadurch die Kontur der Probe. Die roten Pfeile zeigen die erfolgreiche Detektion der Probenkante an.

Qualitätskontrolle und Vermessung  

Vor der Durchführung mikromechanischer Test werden die Proben mikroskopisch untersucht. Dabei wird zum einen die Oberflächenqualität auf Poren, Kratzer und sonstige Defekte überprüft, zum anderen wird die Probengeometrie automatisiert gemessen. Auch wenn die Probenfertigung sehr reproduzierbar ist, kann die Qualitätsprüfung bei Bedarf, z.B. im Fall von neuartigen Materialien, unter anderem auch die Erfassung von Rauheitskennwerten beinhalten. Die Geometriebestimmung ist entscheidend für die spätere Berechnung mechanischer Materialparameter (z.B. technische Spannung) anhand der Ergebnisse von Biege- und Zugversuchen. Die Probengeometrie wird an verschiedenen Positionen gemessen, um eine Statistik zur Mittelwertbildung oder potentielle Schwankungen zu erfassen.

Im Rahmen von Studentenprojekten entwickeln wir die Probenvermessung kontinuierlich weiter.

 

 

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Zugversuche

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Versuchsaufbau für quasistatische und zyklische Zugversuche. (a) Überblick Versuchsaufbau. (b) Detailansicht Probenhalter mit eingelegter Mikrozugprobe.

Wir führen quasistatische und zyklische Mikrozugversuche in einem linearen Versuchsaufbau durch. Während ein Probenhalter statisch mit der Kraftmesszelle verbunden ist, wird der andere von einem Piezoaktor bewegt. Dieser ermöglicht höchste räumliche Auflösung. Reicht der Bewegungsbereich des Piezoaktors nicht aus, können größere Bewegungen mit Hilfe eines Schrittmotors realisiert werden. Damit erzielen wir definierte experimentelle Randbedingungen.

Wir können sowohl kraft- als auch verschiebungskontrollierte Zugversuche anbieten. Ermüdungszugversuche mit Lastspielzahlen im Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit (engl. low cycle fatigue, LCF, bis zu ca. zehntausend Lastspiele) und der Betriebsfestigkeit (high cycle fatigue, HCF, bis zu ca. zwei Millionen Lastspiele) werden standardmäßig durchgeführt. Dabei stellt die gleichzeitige Regelung der Probenfrequenz und Schwingamplitude kontrollierte Belastungsbedingungen her. Diese können in einem Frequenzbereich zwischen 0.1 – 120 Hz und bei positiven Mittelspannungen (geometrieabhängig) aufrechterhalten werden.

Sowohl quasistatische Zugversuche als auch Zugermüdung können wir in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 800 °C anbieten (in Planung sind Versuche bis ca. 1100 °C). 

Für Ermüdungszugversuche im plastischen Bereich haben wir eine spezielle Software entwickelt, die es uns ermöglicht diese Versuche auch dehnungskontrolliert durchzuführen.

Bestimmbare Materialparameter:

Elastizitätsmodul

Poissonzahl

Streckgrenze

Zugfestigkeit

Bruchfestigkeit

Kurzzeitfestigkeit und Betriebsfestigkeit

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Aufgenommen und dargestellt mit einer Bildfrequenz von 1 Hz, Abzugsgeschwindigkeit 0,4 µm/s. Grüne und blaue Kreuze repräsentieren Messpunkte für die berührungsfreie Dehnungsmessung (Digital Image Correlation, DIC). Blaue Kreuze zeigen die Positionen der Messpunkte zu Beginn des Experiments, grüne Kreuze zeigen die Position des jeweiligen Messpunktes im Verlauf des Zugversuchs.

Quasistatischer Zugtest an Stahlprobe

      

 

Biegeversuche

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Versuchsaufbau für quasistatische und zyklische Biegeversuche. (a) Überblick Versuchsaufbau Dreipunktbiegeversuch. (b) Detailansicht Probenhalter mit eingelegter Mikrobiegeprobe.

Auch quasistatische und zyklische Drei- und Vierpunktbiegeversuche führen wir in einem linearen Versuchsaufbau durch. Der Probenhalter mit den beiden äußeren Lagern ist fest mit der Kraftmessdose verbunden. Durch vertikales Verfahren des Piezoaktors wird über die Einzel- (Dreipunktbiegung) oder Doppeldruckfinne (Vierpunktbiegung) eine Kraft auf die Probe ausgeübt. Die resultierende Durchbiegung wird mit Hilfe einer Kamera aufgenommen. Reicht der Bewegungsbereich des Piezoaktors nicht aus, können größere Bewegungen mit Hilfe eines Schrittmotors realisiert werden. Der Abstand der äußeren Lager kann in Abhängigkeit von Probengröße und Materialeigenschaften variiert werden. Biegeversuche können kraft- oder verschiebungskontrolliert durchgeführt werden.

Ermüdungsbiegeversuche mit Lastspielzahlen im Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit (engl. low cycle fatigue, LCF, bis zu ca. hunderttausend Schwingspiele) und der Betriebsfestigkeit (high cycle fatigue, HCF, bis zu ca. zwei Millionen Lastspiele) werden standardmäßig durchgeführt.

Bestimmbare Materialparameter:

Biegemodul

Streckgrenze

Bruchfestigkeit

Kurzzeitfestigkeit und Betriebsfestigkeit

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Fraunhofer IWM Videoserie

Aufnahmefrequenz 2 Hz, Darstellung mit einer Bildfrequenz von 50 Hz, Abzugsgeschwindigkeit 0,8 µm/s. Der Versuch wurde kraftkontrolliert durchgeführt.

Quasistatischer Biegetest an Stahlprobe, Seitenansicht

      

Multiaxiale Resonanzermüdungsversuche zur Bestimmung der Betriebs- und Dauerfestigkeit

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Multiaxiale Resonanzermüdungsapparatur für Ermüdungsversuche im HCF- und VHCF-Regime. (a) Versuchsaufbau Multiaktionale Resonanzapparatur. Die Piezoaktoren versetzen die Probe in Schwingungen bei Eigenfrequenz. Die Schwingungsamplitude wird über ein Lasersystem gemessen und geregelt. (b) Bei Eigenfrequenz schwingende Resonanzprobe (c) Größenvergleich Resonanzprobe. Der untere rechteckige Teil der Probe wird in die Multiaxiale Resonanzapparatur eingespannt.

Wir bieten Ermüdungsversuche im High Cycle und Very High Cycle Fatigue Regime (engl. HCF bzw. VHCF), also bei Lastspielzahlen von hunderttausend (105) bis ca. zehn Milliarden (1010) an. Mit unserer selbstentwickelten multiaxialen Resonanzapparatur lassen sich Mikroproben sowohl in Biege- und Torsions- als auch in Mischresonanz ermüden.

Zwei Piezoaktoren regen die Mikroprobe indirekt zu Schwingungen in ihrer Eigenfrequenz an (100-2000 Hz, in Abhängigkeit von der Probengeometrie), während die Schwingungsamplitude über ein Lasersystem gemessen und geregelt wird. Somit wird bei dieser Ermüdungsapparatur eine symmetrische Belastung (R=-1) eingestellt. Ermüdungserscheinungen wie Extrusionsbildung und Rissnukleation in einzelnen Körnern oder das Wachstum von Mikrorissen können sehr früh durch ein charakteristisches Absinken der Resonanzfrequenz detektiert werden. Neben Korngrenzen und Ausscheidungen, stellen Extrusionen in vielen Materialien versagensrelevante Vorläufer von Rissen dar. Mittels bildgebender Verfahren lassen sich Bilderserien im Verlauf der Ermüdung aufnehmen, aus denen Informationen zur Kinetik der Schädigungsakkumulation gewonnen werden können.

Bestimmbare Materialparameter und Schädigungsanalyse

Schwingfestigkeit im HCF und VHCF Regime

Bruchfestigkeit

Detektion früher Schädigungsstadien (z.B. Gleitband- und Extrusionbildung) über einen charakteristischen Abfall der Eigenfrequenz

Statistische mikrostruktur- und defektbasierte Sensitivitätsanalysen zu Schädigungsentwicklung (in Verbindung mit begleitender Analytik)

Interaktion von Schädigungen mit Mikrostrukturdefekten (z.B. Korngrenzen)

Kinetik der Schädigungsakkumulation (Extrusionsbildung und Risswachstum)

 

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Fraunhofer IWM Videoserie

Dynamische FEM-Simulation der an der multiaxialen Resonanzapparatur möglichen Resonanzszenarien. Falschfarbendarstellung zur Visualisierung von Spannungsspitzen (rote Bereiche). Durch die Piezo-Aktuatoren kann die Probe in (1) Biegeresonanz, (2) Torsionsresonanz oder (3) Mischresonanz versetzt werden.

Resonanzszenarien der multiaxialen Resonanzapparatur

     

Detektion früher Schädigungsstadien über einen charakteristischen Abfall der Eigenfrequenz

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Relative Änderung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Lastspielzahl während eines Dauerschwingfestigkeitstest (engl. High Cycle Fatigue, HCF) an einer Nickelprobe.

Im Folgenden soll exemplarisch ein charakteristischer Verlauf der relativen Resonanzfrequenzänderung im Verlauf der Ermüdung für eine Nickelprobe erläutert werden. Erste Änderungen der Resonanzfrequenz sind ab Lastspielzahlen von ca. 105 durch die Bildung von Extrusionen zu beobachten. Diese tragen zur Entstehung von oberflächlichen oder internen Mikrorissen innerhalb einzelner Körner bei. Ab 106 Schwingspielen breiten sich Mikrorisse auch über Korngrenzen hinweg aus und bilden erste längere Risse.

Durch die Formation eines langen Risses über die gesamte Probe sinkt die Resonanzfrequenz schließlich sehr stark ab.

 

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Entwicklung und Optimierung mikromechanischer Versuchsstände (inkl. Softwaretools)

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Versuchsaufbauten für quasistatische und zyklische Zugversuche im Temperaturbereich bis ca. 200 °C (a und b) und bis ca. 800 °C (c und d). (a) Ansicht geschlossener Ofen 200°C, ohne Frontverkleidung. (b) Innenansicht Ofen 200 °C mit Probenhaltern und eingespannter Probe, nach Ende eines Zugversuchs. (c) Ansicht geschlossener Ofen 800 °C. (d) Innenansicht Ofen 800 °C mit Probenhaltern und eingespannter Probe, ohne Frontverkleidung und Deckel.

Wir führen alle Versuche an selbst entwickelten Versuchsaufbauten durch. Während wir in der Lage dazu sind, uns an Normen der makroskopischen Mechanik anzulehnen, sind wir durch die Modularität der Aufbauten ebenso dazu fähig, diese den Anforderungen neuer Projekte anzupassen. Damit können beispielweise anwendungsähnliche Belastungszustände geschaffen werden. Die Anpassungsmöglichkeiten reichen von der Auswahl der passenden Kraftmesszelle und Integration weiterer Sensorik über die Anpassung der Probengeometrie und der Probenklemmung bis hin zur Ofenentwicklung für verschiedene Temperaturbereiche. Zudem können kurzfristig Modifikationen an der Steuerungssoftware vorgenommen werden.

 

 

 

 

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Testparameter Zug-, Biege- und Biegeresonanzversuche

Entwicklung und Optimierung mikromechanischer Versuchsstände (inkl. Softwaretools)

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Versuchsaufbauten für quasistatische und zyklische Zugversuche im Temperaturbereich bis ca. 200 °C (a und b) und bis ca. 800 °C (c und d). (a) Ansicht geschlossener Ofen 200°C, ohne Frontverkleidung. (b) Innenansicht Ofen 200 °C mit Probenhaltern und eingespannter Probe, nach Ende eines Zugversuchs. (c) Ansicht geschlossener Ofen 800 °C. (d) Innenansicht Ofen 800 °C mit Probenhaltern und eingespannter Probe, ohne Frontverkleidung und Deckel.

Wir führen alle Versuche an selbst entwickelten Versuchsaufbauten durch. Während wir in der Lage dazu sind, uns an Normen der makroskopischen Mechanik anzulehnen, sind wir durch die Modularität der Aufbauten ebenso dazu fähig, diese den Anforderungen neuer Projekte anzupassen. Damit können beispielweise anwendungsähnliche Belastungszustände geschaffen werden. Die Anpassungsmöglichkeiten reichen von der Auswahl der passenden Kraftmesszelle und Integration weiterer Sensorik über die Anpassung der Probengeometrie und der Probenklemmung bis hin zur Ofenentwicklung für verschiedene Temperaturbereiche. Zudem können kurzfristig Modifikationen an der Steuerungssoftware vorgenommen werden.

 

 

 

 

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