Arbeitsgebiete

 

 

Projekte in diesem Arbeitsgebiet

 

  • 4-Kugelversuch
  • Kerbkugelversuch
  • Zähigkeitsmessung keramischer Werkstoffe
  • Miniaturisierung der Festigkeitsprüfung
  • Ermittlung der Kennlinien von Thermistoren und Varistoren
  • Mechanische und elektrische Charakterisierung von Piezostacks
  • Siliziumnitrid für Kugellagerkugeln

 

 

Kontaktpersonen

Prof. Raul Bermejo
Dr. Tanja Lube
Dr. Walter Harrer

Eigenspannungen in einem Laminat

Projekte in diesem Arbeitsgebiet

  • Walzen II
  • PTCCs und Varistoren
  • Piezokeramik
  • Layered Ceramics
  • SICMAC - Structural Integrity of Ceramic Multilayers and Coatings

Kontaktperson

Layered ceramics have been proposed as an alternative choice for the design of structural ceramics with improved fracture toughness and mechanical reliability. The use of energy release mechanisms such as crack branching, crack deflection and/or crack bifurcation can improve the crack growth resistance of the material (Fig. 1). The use of tailored residual compressive stresses, either at the surface or in the internal layers, may also improve the strength as well as the crack resistance of the material during crack growth. In this regard, layered architectures designed with high compressive stresses can show higher strength and enhanced mechanical reliability, yielding in some particular cases a minimum mechanical resistance (threshold strength), below which the material does not fail.

In this project design parameters to optimize the strength and toughness of layered ceramics are sought, based on Fracture Mechanics analyses and experiments. Two multilayer ceramics based on the alumina-zirconia system, designed withexternal (ECS-laminates) and internal (ICS-laminates) compressive stresses (Fig. 2), have been investigated. An optimal architecture that maximizes material toughness and strength has been found for each design as a function of geometry and material properties.

From a flaw tolerant viewpoint, ECS-laminates are suitable for ceramic components with small cracks or flaws which are embedded in or near the potential tensile surface of the piece. On the other hand, the existence of large cracks or defects suggests the use of ICS-laminates to attain a more reliable response. This analysis can be extended to other laminates which hold such energy release mechanisms.

A minimum strength has been found for ICS-Laminates (threshold strength), leading to crack arrest in the compressive layers (see Fig. 3). This behaviour can be explained using a Weight Function analysis, showing that the residual compressive stresses are responsible for the toughening of the material, where the compressive layers can act as a barrier to crack propagation.

 

Projekte in diesem Arbeitsgebiet

  • PTCs
  • Mechanical Reliability of LTCC Components for Automotive Applications
  • Integration of Ceramic Components into Printed Circuit Boards (PCBs)
  • Walzen II
  • Layered Ceramics
  • SICMAC - Structural Integrity of Ceramic Multilayers and Coatings
  • Federn

Um die Ursache von Schäden festzustellen (und damit weitere Schadensfälle zu vermeiden bzw. eine etwaige Verschuldensfrage zu klären) werden Schadensanalysen an geschädigten Bauteilen durchgeführt.

Eine der wichtigsten Untersuchungsmethoden zur Beurteilung von Schäden ist die Fraktographie.

Fraktographie

Grundsätzlich werden fraktographische Untersuchungen verwendet um unerwartetes Versagen im Betrieb zu analysieren, ein Material zu verbessern und die Qualität eines Produktes zu untersuchen.

Spröde Werkstoffe versagen aufgrund von Defekten im Material (i. e. Volumenfehler wie Poren, Einschlüsse, Agglomerate usw.) bzw. Defekten an der Oberfläche.

Bei Oberflächendefekten handelt es sich hauptsächlich um Fehler die von der Oberflächenbearbeitung (i.e. Schleifen) stammen oder aber durch unsachgemäßes Handhaben der Bauteile und Proben in die Oberfläche eingebracht werden. Um derartige Defekte zu identifizieren werden nach Festigkeitsversuchen in der Regel fraktographische Untersuchungen durchgeführt.

  • Durch Thermoschock verursachte Schäden an Bauteilen
  • Schadensanalyse an einer Profilwalze aus Siliziumnitrid

Keramiken enthalten eine Vielzahl kleiner herstellungsbedingter „Defekte“, das sind Werkstoffinhomogenitäten, die zu einer lokalen Konzentration der Spannung führen. Diese „Defekte“ können als Risse beschrieben werden. Das Versagen von Keramiken geht in der Regel von so einem (dem bruchauslösenden) Defekt aus. Große Defekte verursachen geringe Festigkeitswerte. Das Griffith/Irwinsche Versagenskriterium sagt voraus, daß die Festigkeit mit dem Kehrwert der Quadratwurzel der Defektgröße skaliert. Da in geometrisch gleichen Proben die größten (bruchauslösenden) Defekte unterschiedlich groß sind, ist auch die Festigkeit der Proben verschieden: die Festigkeit weist eine große inhärente Streuung auf, die mit einer Verteilungsfunktion beschrieben werden kann.

Das Thema der Bruchstatistik keramischer Werkstoffe ist seit Gründung des Institutes ein zentraler Forschungsbereich. Grundlage der Tätigkeiten sind die Arbeiten von Danzer und Danzer et al., in der der grundsätzliche Zusammenhang zwischen der Fehlergrößenverteilung im Werkstoff und der Bruchstatistik von Proben beschrieben und erste Anwendungen dieser Erkenntnisse auf Werkstoffe mit Eigenschaftsgradienten dargestellt werden.

Bei den Arbeiten zur Bruchstatistik wird in der Regel eine große Anzahl von Proben unter definierten Bedingungen gebrochen, um daraus eine Verteilungsfunktion für die Bruchwahrscheinlichkeit als Funktion der Bruchspannung zu erhalten. Gut abgesicherte experimentelle Ergebnisse, die als Basis bruchstatistischer Theorien verwendet werden können, sind wegen der hohen Kosten für die Anfertigung von Proben praktisch nicht zu erhalten. Daher werden Festigkeitsverteilungen daher virtuell mittels Monte Carlo Simulationen erzeugt. So können typische Meßwerte unter der Annahme „erzeugt“ werden, daß die „richtige“ Verteilung bekannt ist. Vergleiche zwischen simulierten und gemessenen Stichproben geben wichtige Aufschlüsse über das Werkstoffverhalten. Mit dieser Methodik wurden auch durch Simulation von Tausenden von Stichproben die Vertrauensintervalle der Weibull Parameter in Abhängigkeit von der Stichprobengröße ermittelt.

Weitere Arbeiten zeigen, daß es mit den in der Praxis üblichen Stichprobengrößen (etwa 30 Bruchversuche) nicht möglich ist, zwischen einer 2-Parameter und einer 3-Parameter Weibullverteilung zu unterscheiden. Es ist auch nicht möglich eindeutig festzustellen, ob eine Weibullverteilung, eine Normalverteilung oder eine Log-Normalverteilung vorliegt. Dazu müßte die Stichprobengröße wesentlich angehoben werden.