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Titel: Laserthermoschockversuche - Durchführung und Auswertung für unterschiedliche Hochleistungskeramiken
Sprache: Deutsch
Autor/Autorin: Pulz, Robert
Schlagwörter: Thermoschock;Laser;Hochleistungskeramik;Weibull;mechanische Eigenschaften
Erscheinungsdatum: 2014
Zusammenfassung (deutsch): In dieser Arbeit wurde eine Laserstrahl-Thermoschockanlage grundlegend für die Durchführung von Aufheizthermoschockversuchen an verschiedenen Hochleistungskeramiken weiterentwickelt. Die Anlage wurde hinsichtlich der Versuchstechnik dahingehend erweitert, dass Versuche an Luft und erstmals auch im Vakuum möglich sind, wobei die Probenerwärmung kontinuierlich und sehr rasch durch eine vom Probeninneren ausgehende spiralförmige Laserstrahlführung erfolgt. Die Bestimmung der zeit- und ortsaufgelösten Temperaturverteilung mit Hilfe einer Hochfrequenz-Infrarotkamera stellt durch die Auswahl von vier Keramiken mit unterschiedlichen thermischen und optischen Eigenschaften einen hohen Anspruch an die Messtechnik. Eine Möglichkeit für die pyrometrische Hochgeschwindigkeits-Temperaturmessung von Proben mit großen Temperaturgradienten sowie wellenlängen- und temperaturabhängigen Transmissions- und Absorptionsverhalten wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und wird detailliert vorgestellt. Dazu gehören die Erstellung einer universellen Kalibrierprozedur sowie die Korrektur der Messdaten hinsichtlich verschiedener Rauscheffekte und messtechnischer Artefakte. Das Temperaturprofil kann mit dieser Technik mit guter Genauigkeit bestimmt und ausgewertet werden. Die Temperatur wird auf der gesamten Probenoberfläche erfasst und die Temperaturerhöhung im Laserspot wird damit ebenfalls ermittelt. Die zusätzliche Installation der Schallemissionsmessung erlaubt eine exakte Bestimmung des Zeitpunkts des Probenversagens. Mit diesen Weiterentwicklungen können nun Keramiken mit optisch und thermisch stark variierenden Eigenschaften in verschiedenen Medien untersucht werden. Der sich einstellende Temperaturgradient in der Probe ist für die Ausbildung von Druckspannungen im Probeninneren und Zugspannungen im kalten Randbereich der Probe verantwortlich. Beim Erreichen einer kritischen, versagensrelevanten Spannung tritt eine Schädigung der Probe auf, wobei der Laserspot eine, die Bruchursache darstellende lokale Temperatur- und daraus folgende Spannungsüberhöhung in der Nähe des jeweiligen Verweilortes verursacht. Die Bestimmung der sich einstellenden Spannungen wurde von einem eindimensionalen Ansatz zur Berechnung der Tangential- und Radialspannungen erstmals auf eine zweidimensionale, auf der Finite-Elemente-Methode basierende Berechnung erweitert. Die Streuung der versagensrelevanten Spannungen wird statistisch erfasst und bewertet. Die als Stand der Technik anerkannte Weibullstatistik wurde auf die Anforderungen des Thermoschockversuches angepasst bzw. weiterentwickelt. Hierbei wird in Form von Hüllkurven berücksichtigt, dass das belastete Volumen jeder Probe während des Versuches einem örtlich und zeitlich inhomogenen Spannungszustand unterliegt. Dies stellt eine Erweiterung der statistischen Weibull-Analyse dar, die auf der Annahme konstanter Prüfvolumina basiert. Neben dem versagensrelevanten Spannungszustand kann nun auch die bei Versagen gespeicherte elastische Energie berechnet werden, die sehr gut mit sich ausbildenden Bruchmustern korreliert. Basierend auf der Kenntnis des Spannungszustandes und der gespeicherten elastischen Energie wurden verschiedene Versagenskriterien abgeleitet. Aus einer vergleichenden Gegenüberstellung dieser Versagenskriterien für die untersuchten Hochleistungskeramiken wird das am besten geeignete, mit vertretbarem Aufwand bestimmbare Kriterium abgeleitet. Damit steht experimentell eine universelle Methode zur Verfügung, medienabhängige Thermoschockversuche an unterschiedlichen Keramiken durchzuführen und auszuwerten. Die so ermittelte Thermoschockfestigkeit und deren Streuung kann zur Auslegung von keramischen Bauteilen herangezogen werden.
Zusammenfassung (englisch): In this thesis, a laser beam thermal shock rig was fundamentally enhanced to realize heating-up thermal shock tests on different advanced ceramics. The testing technique of the rig was extended with respect to testing media, i.e. testing in vacuum is possible now in addition to air. Heating takes place continuously and very rapidly by a laser beam, which moves helically from the center of the sample to the outside. The measurement of the time and space resolved temperature distribution was realized by using a high performance infrared camera. The investigation of four different advanced ceramics with dissimilar optical and thermal properties represented a challenging task regarding measuring instrumentation. A procedure to apply pyrometric high-speed temperature measurements to samples with high thermal gradients as well as wavelength and temperature dependent transmission and absorption behavior was developed and is presented in detail. This includes the generation of a universal calibration procedure as well as the correction of the measured data with respect to different noise effects and measuring artifacts. The temperature profile can be determined and evaluated with good accuracy by this approach. The temperature is recorded on the complete specimen surface and the temperature increase in the laser spot is detected as well. The additional installation of the acoustic emission measurement allows the exact determination of the moment of specimen failure. With these advancements, ceramics with strong variations in optical and thermal properties can be investigated now in different media. The induced temperature gradient results in the development of compressive stresses in the hot sample interior and of tensile stresses in the cold rim. Damage of the sample occurs when reaching a critical failure relevant stress. The laser spot represents the rupture cause due to a local rising of the temperature and, consequently, a stress rise close to its dwell point. The determination of the resulting stresses was extended for the first time from a one dimensional approach calculating the tangential and radial stresses to a two dimensional calculation, which is based on the Finite-Element-Method. The scatter of the failure stress was statistically determined and assessed. The statistics of Weibull, which is accepted as a state-of-the-art approach, was adapted and further developed, respectively, for the requirements of thermal shock tests. The loaded volume of each sample during the experiment is subjected to a spatio-temporal inhomogeneous stress condition, which is taken into account in terms of an envelope. This represents an expansion of the statistics of Weibull, which assumes a constant sample volume. In addition to the failure relevant stresses, it is possible now to calculate the stored elastic energy at failure, which correlates very well with the observed fracture pattern. Based on the calculated stress state and the stored elastic energy, different failure criteria were derived. After a contrasting juxtaposition of these failure criteria of the investigated advanced ceramics, the most suitable criterion was proposed, which can be applied with justifiable effort. Thus, a universal method to perform and evaluate media dependent thermal shock experiments on ceramics is available now. Such thermal shock resistance data as well as their scatter can be used to design ceramic components.
URI: https://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1223
URN: urn:nbn:de:gbv:830-88212296
DOI: 10.15480/882.1221
Institut: Keramische Hochleistungswerkstoffe M-9
Dokumenttyp: Dissertation
Hauptberichter: Schneider, Gerold A.
Gradverleihende Einrichtung: Technische Universität Hamburg
Sponsor / Fördernde Einrichtung: Doktorandenprogramm der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Enthalten in den Sammlungen:tub.dok

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