Projekt

Computer Tomographie zur dreidimensionalen Charakterisierung von Heterogenitäten mehrerer Größenordnungen in metallischen Werkstoffen

Beschreibung:

Die drei-dimensionale (3D) Beschreibung von inneren Strukturen und Einlagerungen in Materialien liefert verbesserte Möglichkeiten zur Qualitätsbeurteilung von Werkstoffen und Bauteilen. Werkstoff-inhomogenitäten bewirken einerseits nützliche Eigenschaftsprofile, können aber auch die Gebrauchs-eigenschaften nachteilig beeinflussen, weshalb diese als Defekte klassifiziert werden. Die quantitative Beschreibung von Heterogenitäten – Größe, Phase, Form, örtliche Verteilung und Anordnung, Grenz-flächen - ist die Voraussetzung für die Bewertung deren Wirkung auf das Werkstoff- bzw. Bauteil-verhalten. Im letzten Jahrzehnt wurde die Röntgen-Computer-Tomographie (XCT) als 3D Material-charakterisierungs-methode entwickelt, um zerstörungsfrei innere Strukturen darzustellen. Die Größen der Materialinhomogenitäten überdecken mehrere Größenordnungen, sodass die diesbezüglichen tomographische Methoden in ihrem örtlichen Auflösungsvermögen angepasst werden müssen. Industrielle XCT kann Heterogenitäten > 10 µm abbilden, mit Mikrofokus-Röntgenröhren werden räumliche Auflösungsvermögen > 3 µm, mit sogenannten Nanofokusröhren > 0,5µm erreicht. Mit Synchrotronstrahlung hoher Brillanz (ESRF) werden derzeit Details > 0,2 µm abgebildet, beim Einsatz von zusätzlichen optischen Fokussierungen > 0,04 µm. Dabei ist aber zu beachten, dass der durchstrahlbare Durchmesser entsprechend klein gewählt werden muss: als Faustregel gilt, dass der Probendurchmesser < 1000x Ortsauflösung sein muss. Die Auswahl der Probenstelle gewinnt eine entscheidende Bedeutung, um die Repräsentativität einer 3D Darstellung für ein Material zu definieren. Mittels Absorptions- bzw. Phasenkontrast dargestellte Heterogenitäten bedürfen der Identifizierung mittels zerstörender Charakterisierungs-methoden: gezielte, metallografische Schliff-präparation für Auflichtmikroskopie (>0,5 µm), schichtweises Abtragen ausgewählter Probenbereiche mittels focussed ion beam (FIB) und rasterelektronenmikroskopische Abbildungen, die zu tomo-graphischen Volumsabbildungen zusammengefügt werden (FIB-REM-Tomographie mit > 10 nm Ortsauflösung). Sowohl die Größe der Heterogenität, aber auch die Größe der repräsentativen Probe erfordert die adäquate Wahl der tomografischen Methode.
Projektziele: Der Einsatz der verschiedenen Methoden (Industrie-XCT bis Synchrotron-CT) wird für verschiedene Größen der Materialinhomogenitäten untersucht und systematisch bewertet.
• Auswahl der für die Darstellung bestimmter Heterogenitäten (Größenklassen 0,1 µm bis 0,5 mm) geeigneten Tomographietechnik, wobei folgende Beispiele untersucht werden: dendritische und interdendritische Strukturen in Aluminiumgussgefügen; Einschlüsse und Poren geringer Auftritts-wahrscheinlichkeit in gegossenen Baustahlgefügen; Restporosität und deren 3D Zusammenhang in Eisenwerkstoffen unterschiedlicher Sinterstufen; 3D Architektur von Verstärkungskomponenten in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen und Schädigungen der Grenzflächen.
• Simulationsmethoden der Röntgendurchstrahlung bei unterschiedlichen Projektionsrichtungen und Abbildungsparametern für die untersuchten Materialkombinationen (Leichtmetall, Stahl und Kupfer mit mehr oder weniger absorbierenden Inhomogenitäten) zur Unterstützung der geeigneten Wahl der Tomographie-Verfahren und zur Kontrastinterpretation.
• Korrelation der experimentellen Tomographien und der 3D Bildverarbeitungsmethoden mit den Simulationsrechnungen; Verifizierung über metallografische Methoden (Zielpräparation, FIBT).
• Systematisierung der Komplementarität der verschiedenen Tomographie-Methoden und Einbeziehen neuer Entwicklungen der Instrumente und der Bildverarbeitung.
Erwartete Ergebnisse:
• Methodologie zur Korrelation der Tomographiemethoden mit der Quantifizierbarkeit von Heterogenitäten der verschieden

2009-01-01 - 2010-12-31

Leitung:

Personen:

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Forschungseinheiten:

Forschungsprogramm:

FWF Translational Research

Das Projekt wird im Translational Research Programm durch den FWF Wissenschaftsfonds gefördert.

Publikationen: