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Optische Verformungsmessung an heterogenen Werkstoffsystemen
Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung der optischen Verformungsmessung auf heterogene Werkstoffsysteme untersucht, wobei dieses Verfahren auf unterschiedlichen Skalenebenen eingesetzt wird. Als erstes wird die digitale Bildkorrelation zur Temperaturüberwachung bei Hochtemperaturzugversuchen bis 350 °C an 0,6 mm dünnen lotplattierten Aluminiumprüfkörpern eingesetzt. Flächige Dehnungsauswertungen innerhalb des Prüfbereichs bestätigen die homogene Temperaturverteilung, wobei die Temperatur gleichzeitig mit einer Thermographiekamera und Thermoelementen bestimmt wurde. Mit diesem Aufbau lässt sich das dynamische Reckgleiten (PLC-Effekt) bei Raumtemperatur im Detail erfassen. Es können einzelne lokale Dehnungsbänder aufgelöst und deren Verlauf beschrieben werden. Im zweiten Anwendungsfall wird das Schädigungsverhalten von eigenverstärkten Polypropylen Kunststoffverbunden untersucht. Lokale Dehnungskonzentrationen unter quasi statischer Zugbelastung der Prüfkörper liefern Aufschluss über mögliche Schadstellen. Die Verformungsmessungen auf der Gewebestruktur der 2-lagigen Prüfkörper beschreiben das mechanische Verhalten des Verbundes, während die mikroskopische Analyse der Verschiebungen am Querschnitt eines 16-lagigen Mikrozugprüfkörpers die Interaktion der Gewebelagen zueinander beschreiben. Damit lassen sich darüber verschiedene versagenskritische Bereiche darstellen. Begleitende REM-Untersuchungen an belasteten und unbelasteten Prüfkörpern liefern sowohl Schwachstellen des mehrschichtigen Verbundes als auch die Art der Schädigung. Abschließend werden mittels optischer Verformungsmessungen die Eigenschaften der Verbundzonen von Einpresskontakten beschrieben. Da die Verbundzonen optisch nicht zugänglich sind, erfolgt eine indirekte Messung der Schädigung über die Antwort des mechanischen Systems. Durch den Einsatz virtueller Extensometer an allen kritischen Stellen des Verbundes lässt sich ein charakteristischer Verschiebungsverlauf ableiten, dem die Schädigung entnommen werden kann. Hochauflösende REM-Untersuchungen an definiert belasteten Prüfkörpern ermöglichen die Bestimmung der Risse in der Kontaktzone. Basierend auf den Experimenten wurde in einer parallelen Arbeit von K. Markstädter ein Simulationsmodell aufgebaut. Durch die Verwendung von im CT gescannten Pins und optisch vermessener Hülsendurchmesser im Simulationsmodell lässt sich das reale mechanische Verhalten simulieren und mit den dazugehörigen Experimenten abgleichen. Die Kombination aus Experiment und Simulation führt zur vollständigen Beschreibung des mechanischen Systems und zur Bestimmung des Schädigungsbeginns.
The present work investigates the application of optical deformation measurement to heterogeneous material systems with the method being used at different scale levels. First, digital image correlation is used for temperature monitoring in high-temperature tensile tests with testing temperature up to 350 °C and 0.6 mm thin solder-plated aluminum specimens. The homogeneous strain field in the gauge section indicates that a homogeneous temperature distribution is reached corresponding to a thermographic analysis and measurements with thermocouples. This set-up allows visualizing the dynamic strain ageing effect (PLC effect) at room temperature. Individual local strain bands can be resolved and their development under loading can be described. In the second application, the damage behavior of self-reinforced polypropylene plastic composites is investigated. Local strain concentrations in the test specimens under quasi static tensile load provide information about possible damaged areas. The deformation measurements on the fabric structure of the 2-layer test specimens describe the mechanical behavior of the composite. The microscopic analysis of the displacements on the cross-section of a 16-layer miniaturized specimen, on the other hand, describes the interaction of the fabric layers with each other and allows identifying critical regions. Accompanying SEM investigations give more details of the damage process under tensile loading. Finally, the properties of the contact zones of press-fit contacts are characterized by means of optical deformation measurements. Since the contact zones are not optically accessible, the damage is measured indirectly via the response of the mechanical system. By using virtual extensometers at all critical points of the composite, a characteristic displacement curve can be derived from which the damage accumulation process can be deduced. High-resolution SEM examinations on loaded test specimens allow the determination of cracks in the contact zone. Based on the experiments, a simulation model was developed in a parallel thesis by K. Markstädter. By using CT scanned pins and optically measured borehole diameters in the simulation model the actual mechanical behavior can be simulated and compared with the corresponding experiments. The combination of experiment and simulation leads to the complete description of the mechanical system and to the determination of the onset of the damage.
Additional Information
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2019Collections
Dissertationen (Fachgebiet Qualität und Zuverlässigkeit)kup - kassel university press (Digitale Bibliotheksdienste)
Druckausgabe
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Citation
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Flächige Dehnungsauswertungen innerhalb des Prüfbereichs bestätigen die homogene Temperaturverteilung, wobei die Temperatur gleichzeitig mit einer Thermographiekamera und Thermoelementen bestimmt wurde. Mit diesem Aufbau lässt sich das dynamische Reckgleiten (PLC-Effekt) bei Raumtemperatur im Detail erfassen. Es können einzelne lokale Dehnungsbänder aufgelöst und deren Verlauf beschrieben werden. Im zweiten Anwendungsfall wird das Schädigungsverhalten von eigenverstärkten Polypropylen Kunststoffverbunden untersucht. Lokale Dehnungskonzentrationen unter quasi statischer Zugbelastung der Prüfkörper liefern Aufschluss über mögliche Schadstellen. Die Verformungsmessungen auf der Gewebestruktur der 2-lagigen Prüfkörper beschreiben das mechanische Verhalten des Verbundes, während die mikroskopische Analyse der Verschiebungen am Querschnitt eines 16-lagigen Mikrozugprüfkörpers die Interaktion der Gewebelagen zueinander beschreiben. Damit lassen sich darüber verschiedene versagenskritische Bereiche darstellen. Begleitende REM-Untersuchungen an belasteten und unbelasteten Prüfkörpern liefern sowohl Schwachstellen des mehrschichtigen Verbundes als auch die Art der Schädigung. Abschließend werden mittels optischer Verformungsmessungen die Eigenschaften der Verbundzonen von Einpresskontakten beschrieben. Da die Verbundzonen optisch nicht zugänglich sind, erfolgt eine indirekte Messung der Schädigung über die Antwort des mechanischen Systems. Durch den Einsatz virtueller Extensometer an allen kritischen Stellen des Verbundes lässt sich ein charakteristischer Verschiebungsverlauf ableiten, dem die Schädigung entnommen werden kann. Hochauflösende REM-Untersuchungen an definiert belasteten Prüfkörpern ermöglichen die Bestimmung der Risse in der Kontaktzone. Basierend auf den Experimenten wurde in einer parallelen Arbeit von K. Markstädter ein Simulationsmodell aufgebaut. Durch die Verwendung von im CT gescannten Pins und optisch vermessener Hülsendurchmesser im Simulationsmodell lässt sich das reale mechanische Verhalten simulieren und mit den dazugehörigen Experimenten abgleichen. Die Kombination aus Experiment und Simulation führt zur vollständigen Beschreibung des mechanischen Systems und zur Bestimmung des Schädigungsbeginns. The present work investigates the application of optical deformation measurement to heterogeneous material systems with the method being used at different scale levels. First, digital image correlation is used for temperature monitoring in high-temperature tensile tests with testing temperature up to 350 °C and 0.6 mm thin solder-plated aluminum specimens. The homogeneous strain field in the gauge section indicates that a homogeneous temperature distribution is reached corresponding to a thermographic analysis and measurements with thermocouples. This set-up allows visualizing the dynamic strain ageing effect (PLC effect) at room temperature. Individual local strain bands can be resolved and their development under loading can be described. In the second application, the damage behavior of self-reinforced polypropylene plastic composites is investigated. Local strain concentrations in the test specimens under quasi static tensile load provide information about possible damaged areas. The deformation measurements on the fabric structure of the 2-layer test specimens describe the mechanical behavior of the composite. The microscopic analysis of the displacements on the cross-section of a 16-layer miniaturized specimen, on the other hand, describes the interaction of the fabric layers with each other and allows identifying critical regions. Accompanying SEM investigations give more details of the damage process under tensile loading. Finally, the properties of the contact zones of press-fit contacts are characterized by means of optical deformation measurements. Since the contact zones are not optically accessible, the damage is measured indirectly via the response of the mechanical system. By using virtual extensometers at all critical points of the composite, a characteristic displacement curve can be derived from which the damage accumulation process can be deduced. High-resolution SEM examinations on loaded test specimens allow the determination of cracks in the contact zone. Based on the experiments, a simulation model was developed in a parallel thesis by K. Markstädter. By using CT scanned pins and optically measured borehole diameters in the simulation model the actual mechanical behavior can be simulated and compared with the corresponding experiments. The combination of experiment and simulation leads to the complete description of the mechanical system and to the determination of the onset of the damage. open access Skotarek, Christoph 2019-11-04 XVI, 123 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau Brückner-Foit, Angelika (Prof. Dr.) Rienäcker, Adrian (Prof. Dr.) Kassel 978-3-7376-0822-0 (print) Deformationsmessung Optische Messung Werkstoffkunde Mechanische Eigenschaft publishedVersion true https://www.genialokal.de/Produkt/Christoph-Skotarek/Optische-Verformungsmessung-an-heterogenen-Werkstoffsystemen_lid_44444943.html 49,00 Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 15 / Maschinenbau Softcover DIN A5 </resource>
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