Projekt

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

Projekt

Jan. 2009 - Dez. 2010
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

Forschungsprogramm

FWF Translational Research


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

2011
J. Kastner, B. Harrer, H. Degischer - High resolution cone beam X-ray computed tomography of 3D-microstructures of cast Al-alloys - MATERIALS CHARACTERIZATION, Vol. 62, No. 1, 2011, pp. 99-107 mehr
2011
B. Harrer, J. Kastner - X-ray Microtomography: characterisation of structures and defect analysis in Fabrication and Characterization in the Micro-Nano Range - Springer Vieweg, 2011, pp. 119-150 mehr