DFG-SFB 920: Bestimmung der temperaturabhängigen bruch- und schädigungsmechanischen Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe aus Kleinstproben

Projektleiter

Dr.-Ing. Martin Abendroth
Prof. Dr.rer.nat.habil. Meinhard Kuna, i.R. (2011-2019)
Prof. Dipl.-Ing. Björn Kiefer (2019-2023)

Bearbeiter

Dr.-Ing. Stefan Soltysiak (2011-2015)
Dr.-Ing. Henry Zielke (2015-2019)
M.Sc. Shahin Firouzeh (2019-2023)

Motivation

Für die Herstellung hochwertiger höherfesterer Gussbauteile werden poröse keramische Strukturen als Eingussfilter zur Verbesserung der Qualität der Schmelzen verwendet. Neben der mechanischen Filtration sollen durch aktive Beschichtungen der Filterstrukturen auch chemische Verbesserungen der Schmelze erreicht werden. Eine notwendige Eigenschaft der Filter, neben den funktionellen Eigenschaften wie Filtrationseffizienz, Durchströmungsverhalten und chemische Reaktivität, ist die mechanische Integrität der Filterstruktur. Die partielle Schädigung oder das totale Versagen eines Filtersystems würde einen erheblichen technologischen Schaden verursachen. Aufgrund der Herstellungstechnologie sind in den realen Filterstrukturen rissartige Defekte vorhanden, die bei mechanischer Belastung und insbesondere bei Thermoschockbelastung eine hohe Kerbwirkung haben. Die Widerstandsfähigkeit der Filter muss gegenüber einmaligem Thermoschock (durch den Kontakt mit der Metallschmelze) gewährleistet sein, was eine bruchmechanische Bewertung der Filterstrukturen notwendig macht und wozu die Kenntnis der temperaturabhängigen Bruchzähigkeit der Grundwerkstoffe und der Beschichtungen notwendig ist.

Schmelzfiltration

Ziel

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Verbesserung experimenteller Verfahren zur Bestimmung der temperaturabhängigen bruch- und schädigungsmechanischen Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe an Hand von Kleinstproben. Der Schwerpunkt soll auf dem B3B-Test liegen, wobei auch B3B-Proben mit Riss geprüft werden sollen. Mit Hilfe begleitender FE-Analysen dieser Versuche lassen sich bei Verwendung geeigneter Werkstoffmodelle bruch- bzw. auch schädigungsmechanische Werkstoffkenngrößen der untersuchten Keramiken bestimmen. Die erarbeiteten Methoden sollen auf die Filtergrundwerkstoffe Al2O3, Al2O3-C und die Beschichtungswerkstoffe Aluminiumoxid, Spinell und MgO-C sowie auf Verbundwerkstoffe aus Al2O3+Spinell angewendet werden.

Methoden

HT-SPT: Die im ersten Förderzeitraum erfolgreich durchgeführten Experimente sollen weitergeführt werden, wobei neu entwickelte Werkstoffe aus den TP A01 und A02 im Fokus stehen.
B3B + B3B-Chevron: Zusätzlich zu den SP-Tests sollen sogenannte Ball-on-3-Balls-Tests (B3B) durchgeführt werden. Geprüft werden Proben mit der gleichen Geometrie wie im SPT, nur dass die Probe auf drei Keramikkugeln aufliegt. Damit ist immer eine eindeutige Lagerung der Probe gewährleistet und kleine Unebenheiten der Probenoberfläche beeinflussen das Messergebnis nicht. Der Spannungszustand in der Probe ist dann nicht mehr axialsymmetrisch sondern zeigt zusätzlich drei Zonen erhöhter Zugspannungen zwischen den unteren Kugeln. Dadurch lässt sich das Versagensverhalten stabilisieren, die Proben zerbrechen in drei annähernd gleiche Stücke.
Die Probe kann zusätzlich mit einer dünnen Diamanttrennscheibe angeschnitten werden, womit man einen keilförmigen Kerb erzeugt, wie er in ähnlicher Form und Anwendung bei Chevron-Proben zu finden ist. Es wird erwartet, dass an der Keilspitze ein Riss initiiert, der mit zunehmender Deformation stabil wächst.
Die Auswertung der Versuche erfolgt nach der Weibull-Methode. Dazu werden begleitend zu allen Versuchen numerische Simulationen (FEM) durchgeführt. Durch Anpassung der Parameter des Materialgesetzes werden die simulierten Last-Deformations-Kurven an die Experimente angepasst, womit dann auch die entsprechende Rissbeanspruchung zum Zeitpunkt des Probenversagens ermittelt werden kann.

Schematische Darstellung einer SPT Apparatur

Detail B3B-Probe mit Riss

Universalprüfmaschine mit Hochtemperaturofen

Veröffentlichungen

  • Neumann, M.,  Gehre, P., Hubálková,  J., Zielke, H.,  Abendroth; M., Aneziris; C. G.: Statistical Analysis of the Flexural Strength of Free-Standing Flame-Sprayed Alumina Coatings Prior and After Thermal Shock, Journal of Thermal Spray Technology  (2020), DOI: 10.1007/s11666-020-01114-6
  • Zielke, H., Wetzig, T., Himcinschi, C., Abendroth, M., Kuna, M., Aneziris, C.G.: Influence of carbon content and coking temperature on the biaxial flexural strength of carbon-bonded alumina at elevated temperatures, Carbon 159 (2020) pp. 324-332, DOI: 10.1016/j.carbon.2019.12.042
  • Zielke, H.: Bestimmung der bruch- und schädigungsmechanischen Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe aus Kleinstproben, Dissertation, TU Bergakademie Freiberg, Berichtsband IMFD Heft 33 (2019), ISBN: 978-3-86012-623-3
  • Zielke, H., Abendroth, M., Kuna, M., Kiefer, B.: Determining the Fracture Toughness of Ceramic Filter Materials Using the Miniaturized Chevron-Notched Beam Method at High Temperature, Ceramics International 44-12 (2018), pp.13986-13993, DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.04.248
  • Soltysiak, St.: Untersuchung des Deformations- und Versagensverhaltens kohlenstoffgebundener keramischer Werkstoffe mittels miniaturisierter Prüfverfahren, Dissertation,TU Bergakademie Freiberg, Berichtsband IMFD Heft 28 (2018), ISBN: 978-3-86012-591-5
  • Abendroth, M.: FEM Analysis of Small Punch Test, Key Engineering Materials 734 (2017) pp. 23-36, DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.734.23
  • Zielke, H., Abendroth, M., Kuna, M.: Fracture Toughness Characterization of Carbon Bonded Alumina Using Chevron Notched Specimens, Key Engineering Materials 754 (2017) pp. 71-74, DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.754.71
  • Zielke, H., Schmidt, A., Abendroth, M., Kuna, M., Aneziris, C.: Influence of the specimen manufacturing process on the strength of carbon-bonded alumina (Al203-C), Advanced Engineering Materials (2017) pp.1-7, DOI: 10.1002/adem.201700083
  • Zielke, H., Abendroth, M., Kuna, M.: Determining fracture mechanical properties for brittle materials using the ball on three balls test combined with numerical simulations, Theoretical and Applied Fracture Mechanics 86 (2016) pp. 19–24, DOI: 10.1016/j.tafmec.2016.09.001
  • Zielke, H., Abendroth, M., Kuna, M.: Determination of fracture mechanical properties of carbon bonded alumina using miniaturized specimens, Key Engineering Materials 713 (2016)  pp. 70-73, DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.713.70
  • Abendroth, M., Soltysiak, S.: Assessment of Material Properties by Means of the Small Punch Test, Recent Trends in Fracture and Damage Mechanics (eds. Hütter, G., Zybell, L.) pp. 127-157, Springer (2016), DOI: 10.1007/978-3-319-21467-2_6
  • Zielke, H., Abendroth, M., Kuna, M.: Bestimmung der bruch- und schädigungsmechanischen Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe aus Kleinstproben, Determination of fracture and damage mechanical properties of ceramic filter materials using miniaturized specimens, 48. DVM Arbeitskreis Bruchmechanik und Bauteilsicherheit, 16.-17.02.2016, Freiburg, DVM-Bericht 248 (2016) pp. 61-70, ISSN 2366-4797
  • Abendroth, M.: A unified approach to identify material properties from small punch test experiments. IN: Functional structure design of new high-performance materials via atomic design and defect engineering -- ADDE Rafaja, D. (ed.) SAXONIA (2015) pp. 288-305, ISBN 978-3-934409-68-2
  • S. Soltysiak, M. Abendroth, M. Kuna, S. Dudczig: Influence of the microstructure on the fracture behavior of carbon bonded alumina, Key Engineering Materials, Volume 592-593, Pages 279-282, 2014 DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.592-593.279
  • S. Soltysiak, M. Abendroth, M. Kuna: Influence of the Cabores content on the strength of carbon bonded alumina obtained by means of Small Punch Test. Proceedings of the Unified International Technical Conference on Refractories - Unitecr 2013, September 10-13, 2013, Victoria, Canada, Pages 135-140 DOI: 10.1002/978118837009.ch24
  • S. Soltysiak, M. Abendroth, M. Kuna, Y. Klemm, H. Biermann: Strength of fine grained carbon-bonded alumina (Al2O3-C) materials obtained by means of the small punch test, Ceramics International. Volume 40, Issue 7, Pages 9555-9561, 2014 DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.02.030
  • S. Soltysiak, M. Selent, S. Roth, M. Abendroth, M. Hoffmann, H. Biermann, M. Kuna: High-temperature small punch test for mechanical characterization of a nickel-base super alloy, Materials Science & Engineering A, Volume 613, (8. September 2014) pp. 259–263 DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.105
  • S. Soltysiak, M. Abendroth, M. Kuna, S. Dudczig: Influence of the content of modified coal tar pitch powder on the strength of carbon bonded alumina (Al2O3-C), Advanced Engineering Materials. Volume 15, Issue 12, Pages 1230-1234, 2013 DOI: 10.1002/adem.201300173
  • S. Soltysiak, M. Emmel, T. Behm, M. Abendroth, M. Kuna, C.G. Aneziris: Mechanical characterization of carbon bonded alumina using the Small Punch Test. 2nd International Conference SSTT (Small Sample Test Techniques) 2012, 02.-04-10.2012 in Ostrava. ISBN 978-80-260-0079-2

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