Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4315
Main Title: In-situ Untersuchung des Schädigungsverhaltens mehrphasiger Werkstoffe unter thermischer und mechanischer Benspruchung
Translated Title: In-situ investigation of the damage behavior of multiphase materials during thermal and mechanical loading
Author(s): Camin, Bettina
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Reimers, Walter
Skrotzki, Birgit
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Es werden die Kriechschädigungsmechanismen in Leichtmetall-Verbundwerkstoffen (Metal Matrix Composites = MMC) untersucht. Die in-situ µ-Tomographie mit Synchrotron-Röntgenstrahlung als abbildendes Verfahren bietet den Vorteil zeitaufgelöster Messungen. Die mikrostrukturellen Mechanismen, die die Schädigung hervorrufen und zum Kriechbruch führen, werden zeitabhängig und lokal im Volumen analysiert sowie mit dem makroskopischen Kriechverhalten korreliert. Anhand bestehender Modelle zur Beschreibung der Kriechschädigung werden die Porosität in der metallischen Matrix, das Versagen der keramischen Verstärkungen sowie die Matrixablösungen von den Verstärkungen charakterisiert. Die Modelle nutzen phänomenologische Kriterien für die qualitative Analyse der Schädigung in den einzelnen Kriechstadien einerseits und Bestimmung der Entstehungs- sowie Entwicklungsmechanismen andererseits. Aus der Kombination der Modelle, die die rechnerischen Grundlagen liefern, und deren Erweiterung für den 3-dimensionalen Anwendungsfall werden Methoden für die zeitabhängige quantitative Beschreibung der Kriechschädigung entwickelt. Die Schädigungsprozesse zeigen eine Abhängigkeit von den gewählten Kriechbelastungen. Allen untersuchten MMC-Werkstoffen -Titan+15%(SiC)p, AA6061+22%(Al2O3)p sowie AE42+10%(Saffil®)f+10%(SiC)p- ist in den frühen Kriechstadien die Schädigung aufgrund von Porenbildung und –wachstum in der Matrix durch den Mechanismus der Oberflächendiffusion gemeinsam. Es zeigt sich innerhalb der späteren Kriechstadien, dass in den drei Werkstoffen letztendlich jedoch unterschiedliche Mechanismen zum Versagen führen. In den partikelverstärkten Werkstoffen Titan+15%(SiC)p und AA6061+22%(Al2O3)p verursachen bei höheren Temperaturen nach wie vor die Schädigungsprozesse in der Matrix durch Porenbildung und ˗wachstum den Kriechbruch. Bewirkt in dem MMC Titan+15%(SiC)p nach einem Mechanismuswechsel das Versetzungskriechen ein überproportionales Porenwachstum in Relation zur Kriechdehnung, so bleibt in dem Werkstoff AA6061+22%(Al2O3)p die Oberflächendiffusion weiterhin kriechschädigungsbestimmend und proportional zur Kriechdehnung. Bei einem bei niedriger Temperatur und hoher mechanischer Belastung durchgeführten Experiment des Werkstoffs AA6061+22%(Al2O3)p und dem hybridverstärkten MMC AE42+10%(Saffil®)f+10%(SiC)p sind Verstärkungsbrüche ursächlich für das Versagen. Das Wachstum der Bruchspalten der Partikel (Al-MMC) bzw. der Fasern (Mg-MMC) findet in beiden Werkstoffen proportional zur Kriechdehnung statt. Für das zeit-, spannungs und temperaturabhängige Kriechschädigungs- und Kriechbruchverhalten durch mikrostrukturelle Schädigungsmechanismen in der metallischen Matrix, Brüche der Partikel- bzw. Kurzfaserverstärkungen sowie Matrixablösung von den Verstärkungen werden modellhafte grafische Darstellungen entwickelt.
The creep damage mechanisms in Lightmetal based Metal Matrix Composites (MMCs) are analysed. In-situ µ-tomography using synchrotron X-ray radiation is a 3-dimensional imaging technique and exhibits the advantage of time-resolved studies. This enables in-situ investigations of damage during creep. The mechanisms of creep damage and creep fracture are analysed time-resolved and space-resolved in the volume. Thereby, microstructural damage mechanisms such as void formation in the matrix, reinforcement fracture and delamination of the matrix from the reinforcements can be detected and correlated to the macroscopic creep curve. To characterize the creep damage in the different creep stages existing models were used, which are specifying the phenomenology of the damage and give qualitative information about damage formation and evolution. These models were combined and extended for the application to 3-dimensional data sets. Hence a method is developed which gives the equations for time-resolved quantification of the determined creep damage mechanisms. The damage processes are depending on mechanical stresses and temperature. During the early creep stages surface diffusion dominates the creep damage through void formation and evolution regardless of the investigated MMC-materials Titan+15%(SiC)p, AA6061+22%(Al2O3)p and AE42+10%(Saffil®)f+10%(SiC)p. In the later creep stages the damage mechanisms which lead to creep fracture are different for each MMC. In the particle reinforced MMCs Titan+15%(SiC)p and AA6061+22%(Al2O3)p void formation and evolution in the matrix results in creep fracture at higher temperatures. The main process in the Titan+15%(SiC)p-MMC is super-proportionally void growth by power-law creep in relation to creep strain. In contrast the surface diffusion determines void growth which remains proportional to creep strain in the AA6061+22%(Al2O3)p-MMC. However, at high mechanical stress and low temperature reinforcement fracture is observed in AA6061+22%(Al2O3)p as well as in the hybrid reinforced AE42+10%(Saffil®)f+10%(SiC)p-MMC. The growth of the particle breakage (Al-MMC) respectively short-fiber breakage (Mg-MMC) is the main mechanism of creep failure and proportional to creep strain. The analysis of the experimental data enabled the generation of illustrations visualizing the creep damage and failure as a function of time, stress and temperature. These illustrations consider the microstructural damage mechanisms in the metallic matrix as well as fracture of reinforcements (particles or short fibers) and matrix-reinforcement delamination.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-60810
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4612
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4315
Exam Date: 10-Dec-2014
Issue Date: 28-Jan-2015
Date Available: 28-Jan-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): In-situ
Tomographie
Leichtmetall-Verbundwerkstoffe
MMC
Kriechen
In-situ
tomography
metal matrix composite
creep
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