Lokale Spannungsmessung

Lokale Spannungsmessung und deren Anwendung auf ermüdungs-bruchmechanische Fragestellungen 

Bauteile versagen durch die Wirkung mechanischer Spannungen. Diese treten primär während des Betriebs überlagern sich jedoch mit den Eigenspannungen, die nach der Fertigung des Bauteils im „Werkstoffgedächtnis“ bleiben. Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu garantieren sind Modelle notwendig, die das mechanische Verhalten korrekt beschreiben und vorhersagen. Obwohl der Messung und Berechnung von mechanischen Spannungen viel Aufmerksamkeit gewidmet wird, ist die Messung mit konventionellen Methoden auf lateral derart große Bereiche beschränkt, dass mikroskopische Spannungseffekte nicht ausreichend charakterisiert werden können.

Ermüdung, also die Schädigung von Material durch zyklische Belastung, ist das Hauptversagensphänomen bei dynamisch belasteten Bauteilen z.B. im Bereich Automobil bzw. Luft- und Raumfahrt. Ermüdungsrisswachstum ist jedoch ein Effekt, der maßgeblich durch mikroskopische Spannungsfelder vor der Rissspitze dominiert wird. Messung und  Kenntnisse dieser Felder erlauben eine Quantifizierung der Wirkung verschiedener Einflussfaktoren auf Ermüdungsrisse und ermöglichen somit eine Verbesserung von Lebensdauervorhersagen und damit der Bauteilsicherheit.

In diesem Projekt werden verschiedene Messmethoden kombiniert. Zur Abbildung lokaler Eigenspannungsfelder wird in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) und dem Lehrstuhl für zerstörungsfreie Prüfung und Qualitätssicherung (LZfPQ) die Methode magnetisches Barkhausenrauschen (MBN) genutzt. Ein eigens hierzu entwickeltes Kalibrierverfahren ermöglicht eine Quantifizierung der Spannungen aus dem MBN. Dabei kann durch einen speziellen Aufbau die Messsonde sehr klein gestaltet werden, was Spannungsmessungen im µm-Bereich ermöglicht. Als komplementäre Methode wird die Digitale Bildkorrelation insitu im Rasterelektronenmikroskop eingesetzt. Die Kombination beider Methoden ermöglicht sowohl die lokale Messung von Eigenspannungsfelder als auch deren Auswirkung auf das Rissöffnungsverhalten, Rissspitzenfelder und Risswachstumsgeschwindigkeit.