Unsere mikromechanischen Versuchsaufbauten sind für die Untersuchung von Proben im Mikrometerbereich optimiert. Dies ermöglicht uns die Untersuchung kleinster Bauteile sowie die Bestimmung lokaler Eigenschaften makroskopischer Bauteile. Damit können mechanische Skalen- und Skalierungseffekte, die bei der Miniaturisierung zusätzliche Streuung in den mechanischen Eigenschaften verursachen, charakterisiert werden. Mikromechanische Versuche dienen dazu diese Streuungen statistisch abzubilden.
Quasistatischer Zugtest an Stahlprobe - dehnungskontrollierte Ermüdungszugversuche
Wir bestimmen die Materialeigenschaften unserer Mikroproben mit Hilfe quasistatischer und zyklischer Zug- und Biegeversuche. Diese Versuche können kraft- oder verschiebungskontrolliert durchgeführt werden. Zudem bieten wir dehnungskontrollierte Ermüdungszugversuche an. Diese kommen häufig im plastischen Bereich zum Einsatz, also außerhalb des Gültigkeitsbereiches der technischen Spannung.
Für Ermüdungsversuche bei hohen und sehr hohen Lastspielzahlenm, bis zu zehn Milliarden (1010),steht uns mit der multiaxialen Resonanzapparatur ein eigens entwickelter Versuchsaufbau zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch eine ausgeprägte Empfindlichkeit zur Detektion früher Ermüdungsschädigungen, von der Gleitbandbildung bis hin zum Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse, aus.
Einerseits können unsere Mikroversuche dabei an DIN-Normen der Makrowelt angelehnt sein. Andererseits befähigt uns die Modularität unserer Aufbauten, uns stetig weiterzuentwickeln und dabei auch auf Kundenwünsche bei Setupoptimierungen und Neuentwicklungen einzugehen. Anpassungsmöglichkeiten bestehen beispielweise bei der Mechanik und der Regelung, bei der Versuchsdurchführung und der verwendeten Sensorik. Unsere Versuchsaufbauten werden auch genutzt, um die Eigenschaften unserer selbst entwickelten Metamaterialien zu bestimmen.
Auf dieser Seite:
Mikroproben: Präparation, Qualitätskontrolle und Vermessung
Berührungslose Dehnungsmessung durch Digital Image Correlation (DIC)
Multiaxiale Resonanzermüdungsversuche zur Bestimmung der Betriebs- und Dauerfestigkeit
Fraunhofer IWM Videoserie: Resonanzszenarien der multiaxialen Resonanzapparatur
Testparameter Zug-, Biege- und Biegeresonanzversuche
Entwicklung und Optimierung mikromechanischer Versuchsstände (inkl. Softwaretools)
Neben Bauteiltests extrahieren wir Proben aus relevanten Bereichen ihrer Bauteile, um lokale mechanische Eigenschaften zu ermitteln. Dabei kommen verschiedene Verfahren zur Probenherstellung zum Einsatz. Wir können Mikroproben/Bauteile mit einer Dicke zwischen 10 µm und 1000 µm testen, wobei die übliche Probendicke bei ca. 200 µm liegt. Die Probengeometrie wird den jeweiligen Projektanforderungen und dem zu testenden Material angepasst. Gleiches gilt für die Probenherstellung. Folgende Methoden zur Probenherstellung stehen zur Verfügung:
Vor der Durchführung mikromechanischer Test werden die Proben mikroskopisch untersucht. Dabei wird zum einen die Oberflächenqualität auf Poren, Kratzer und sonstige Defekte überprüft, zum anderen wird die Probengeometrie automatisiert gemessen. Auch wenn die Probenfertigung sehr reproduzierbar ist, kann die Qualitätsprüfung bei Bedarf, z.B. im Fall von neuartigen Materialien, unter anderem auch die Erfassung von Rauheitskennwerten beinhalten. Die Geometriebestimmung ist entscheidend für die spätere Berechnung mechanischer Materialparameter (z.B. technische Spannung) anhand der Ergebnisse von Biege- und Zugversuchen. Die Probengeometrie wird an verschiedenen Positionen gemessen, um eine Statistik zur Mittelwertbildung oder potentielle Schwankungen zu erfassen.
Wir führen quasistatische und zyklische Mikrozugversuche in einem linearen Versuchsaufbau durch. Während ein Probenhalter statisch mit der Kraftmesszelle verbunden ist, wird der andere von einem Piezoaktor bewegt. Dieser ermöglicht höchste räumliche Auflösung. Reicht der Bewegungsbereich des Piezoaktors nicht aus, können größere Bewegungen mit Hilfe eines Schrittmotors realisiert werden. Damit erzielen wir definierte experimentelle Randbedingungen.
Wir können sowohl kraft- als auch verschiebungskontrollierte Zugversuche anbieten. Ermüdungszugversuche mit Lastspielzahlen im Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit (engl. low cycle fatigue, LCF, bis zu ca. zehntausend Lastspiele) und der Betriebsfestigkeit (high cycle fatigue, HCF, bis zu ca. zwei Millionen Lastspiele) werden standardmäßig durchgeführt. Dabei stellt die gleichzeitige Regelung der Probenfrequenz und Schwingamplitude kontrollierte Belastungsbedingungen her. Diese können in einem Frequenzbereich zwischen 0.1 – 120 Hz und bei positiven Mittelspannungen (geometrieabhängig) aufrechterhalten werden.
Sowohl quasistatische Zugversuche als auch Zugermüdung können wir in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 800 °C anbieten (in Planung sind Versuche bis ca. 1100 °C).
Für Ermüdungszugversuche im plastischen Bereich haben wir eine spezielle Software entwickelt, die es uns ermöglicht diese Versuche auch dehnungskontrolliert durchzuführen.
Bestimmbare Materialparameter:
Die von uns untersuchten Mikroproben haben oftmals eine Abmessung von nur einigen zehn oder hundert Mikrometern. Um während der Durchführung von Biege- oder Zugversuchen die Probe nicht zusätzlich zu beschädigen, messen wir die Dehnung berührungslos durch ein spezielles Bildkorrelationsverfahren (DIC). Für quasistatische und zyklische Zug- und Biegetest werden dabei zwei verschiedene Varianten der Bildkorrelation verwendet.
Auch quasistatische und zyklische Drei- und Vierpunktbiegeversuche führen wir in einem linearen Versuchsaufbau durch. Der Probenhalter mit den beiden äußeren Lagern ist fest mit der Kraftmessdose verbunden. Durch vertikales Verfahren des Piezoaktors wird über die Einzel- (Dreipunktbiegung) oder Doppeldruckfinne (Vierpunktbiegung) eine Kraft auf die Probe ausgeübt. Die resultierende Durchbiegung wird mit Hilfe einer Kamera aufgenommen. Reicht der Bewegungsbereich des Piezoaktors nicht aus, können größere Bewegungen mit Hilfe eines Schrittmotors realisiert werden. Der Abstand der äußeren Lager kann in Abhängigkeit von Probengröße und Materialeigenschaften variiert werden. Biegeversuche können kraft- oder verschiebungskontrolliert durchgeführt werden.
Ermüdungsbiegeversuche mit Lastspielzahlen im Bereich der Kurzzeitschwingfestigkeit (engl. low cycle fatigue, LCF, bis zu ca. hunderttausend Schwingspiele) und der Betriebsfestigkeit (high cycle fatigue, HCF, bis zu ca. zwei Millionen Lastspiele) werden standardmäßig durchgeführt.
Bestimmbare Materialparameter:
Wir bieten Ermüdungsversuche im High Cycle und Very High Cycle Fatigue Regime (engl. HCF bzw. VHCF), also bei Lastspielzahlen von hunderttausend (105) bis ca. zehn Milliarden (1010) an. Mit unserer selbstentwickelten multiaxialen Resonanzapparatur lassen sich Mikroproben sowohl in Biege- und Torsions- als auch in Mischresonanz ermüden.
Zwei Piezoaktoren regen die Mikroprobe indirekt zu Schwingungen in ihrer Eigenfrequenz an (100-2000 Hz, in Abhängigkeit von der Probengeometrie), während die Schwingungsamplitude über ein Lasersystem gemessen und geregelt wird. Somit wird bei dieser Ermüdungsapparatur eine symmetrische Belastung (R=-1) eingestellt. Ermüdungserscheinungen wie Extrusionsbildung und Rissnukleation in einzelnen Körnern oder das Wachstum von Mikrorissen können sehr früh durch ein charakteristisches Absinken der Resonanzfrequenz detektiert werden. Neben Korngrenzen und Ausscheidungen, stellen Extrusionen in vielen Materialien versagensrelevante Vorläufer von Rissen dar. Mittels bildgebender Verfahren lassen sich Bilderserien im Verlauf der Ermüdung aufnehmen, aus denen Informationen zur Kinetik der Schädigungsakkumulation gewonnen werden können.
Bestimmbare Materialparameter und Schädigungsanalyse
Detektion früher Schädigungsstadien über einen charakteristischen Abfall der Eigenfrequenz
Am Biegeresonanzsetup können frühe Schädigungsstadien über einen charakteristischen Abfall der Eigenfrequenz detektiert werden. Die Abbildung links zeigt den charakteristischen Verlauf der relativen Resonanzfrequenzänderung bei der Ermüdung einer Nickelprobe.
Erste Änderungen der Resonanzfrequenz sind ab Lastspielzahlen von ca. 105 durch die Bildung von Extrusionen zu beobachten. Diese tragen zur Entstehung von oberflächlichen oder internen Mikrorissen innerhalb einzelner Körner bei. Ab 106 Schwingspielen breiten sich Mikrorisse auch über Korngrenzen hinweg aus und bilden erste längere Risse.
Durch die Formation eines langen Risses über die gesamte Probe sinkt die Resonanzfrequenz schließlich sehr stark ab.
Die Tabelle links gibt einen Überblick zu den Leistungsparametern der verfügbaren technischen Ausstattung. Zögern Sie nicht sich mit speziellen Fragestellungen zur Mikromechanik an uns zu wenden. Da wir unsere Steuerungssoftware selbst schreiben und unsere Prüfaufbauten und Hardware modular ist, können wir maßgeschneiderte Prüfmethoden für Ihre Anwendungen entwickeln.
Wir führen alle Versuche an selbst entwickelten Versuchsaufbauten durch. Standardmäßig lehnen wir unsere Versuchstechnik und -protokolle an Normen der makroskopischen Mechanik an. Bei Bedarf können wir unsere modularen Setups jederzeit den spezifischen Anforderungen neuer Projekte anpassen, um z.B. anwendungsähnlichere Belastungszustände zu schaffen. Die Anpassungsmöglichkeiten reichen von der Auswahl der passenden Kraftmesszelle und Integration weiterer Sensorik über die Anpassung der Probengeometrie und der Probenklemmung bis hin zur Ofenentwicklung für verschiedene Temperaturbereiche. Zudem können kurzfristig Modifikationen an der Steuerungssoftware vorgenommen werden, um neuartige Prüfprotokolle zu fahren, mit anderen Wellenformen anzuregen oder Abbildungen zu bestimmten Zeitpunkten im Lastzyklus aufzunehmen. So wurden in der Vergangenheit verschiedene Methoden wie Incremental Step Tests, Kriechversuche und Spannungsrelaxationsversuche implementiert.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM