Beschreibung

Titel

Verfahren zur Ermittlung der Thermoschockrobustheit und Materialfestigkeit von sprödversagenden Materialien

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Thermoschockrobustheit und der Materialfestigkeit von sprödversagenden Materialien, insbesondere von keramischen Materialien, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein kontinuierlicher Entwicklungsprozess führt zu immer anspruchsvolleren und intelligenteren Technologien. Mit derselben Dynamik steigen auch die Ansprüche, die an neue und moderne Werkstoffe gestellt werden. Vor allem höhere Materialfestigkeiten für Material sparende Konstruktionen, höhere Sicherheit, das Thermoschockverhalten und eine längere Lebensdauer spielen bei technischen

Anwendungen und bei der Auswahl der dafür geeigneten Materialien eine zentrale Rolle.

Keramische Werkstoffe haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen schon bewährt, bei denen hohe Härte, große Verschleißbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit gute Hochtemperaturstabilität verbunden mit einem niedrigen spezifischen Gewicht benötigt werden. Die Eigenschaften von keramischen Werkstoffen werden nicht nur durch die chemische Zusammensetzung, sondern auch maßgeblich durch das jeweilige Gefüge und Mikrostruktur bestimmt. Die gezielte Einstellung von bestimmten Mikrostrukturen, das so genannte Gefügedesign, ermöglicht die Beeinflussung von mechanischen und physikalischen Kennwerten. Neue keramische Werkstoffe müssen den jeweiligen Anforderungen und technischen Problemstellungen genügen. Sind die Kennwerte des Werkstoffs bekannt, können unter Berücksichtigung der thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen gegebenenfalls vor der Fertigung eines Bauteils

Werkstoffe identifiziert werden, die besonders geeignete Eigenschaften aufweisen. Gleichermaßen können keramische Werkstoffe aussortiert werden, die un-

geeignet für ein bestimmtes Anwendungsprofil sind. Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Verwendung von keramischen Werkstoffen ist ihre Sprödigkeit und die Thermoschockempfindlichkeit. Unter Thermoschock versteht man die schnelle, schockartige Veränderung der Temperatur eines Materials oder Werkstücks. Dies führt zu mechanischen Spannungen zwischen dem äußeren und inneren

Teil des Materials, da sich die Wärme an der Oberfläche schneller abführen lässt als im Inneren. übersteigen die so entstehenden Spannungen einen kritischen Wert, kommt es zur Schädigung, beispielsweise einer Rissbildung, des Materials. Beispielsweise kann es im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs durch Wasser zu einem lokalen Thermoschock am keramischen Sensorelement kommen, was zu einer Rissbildung und in Folge dessen zu einem Bauteilversagen führen kann. Für den Einsatz über weite Temperaturbereiche und bei schnellen Temperaturänderungen muss die Temperaturwechsel- oder Thermoschockbeständigkeit von Werkstoffen und daraus gefertigten Bauteilen daher gesichert sein.

Stand der Technik

Zur Ermittlung der mechanischen Festigkeit keramischer Werkstoffe ist es bekannt, so genannte Vier-Punkt-Biegeversuche oder einen Doppelring- Biegeversuch anzuwenden. Zur Thermoschockprüfung existieren bereits Verfahren zur Bauteilprüfung, wie z.B. Wasserabschreckversuche. Alle diese Versuche und Verfahren liefern jedoch keine Materialkennwerte.

Die EP 0 992 784 Bl beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Festigkeit und des Thermoschockverhaltens von Materialproben. Bei diesem

Verfahren wird ein lokal eng begrenzter Bereich einer Materialprobe schockartig, beispielsweise mit einer Lampe oder einem Laser erhitzt. über ein Pyrometer und eine Thermokamera wird ein lokales Temperaturprofil aufgenommen und dessen zeitlicher Verlauf überwacht. Die mechanischen Abläufe in der Probe werden dabei über ein Mikroskop und eine Videokamera beobachtet. Die eingetragene Wärmeenergie wird so weit erhöht, bis aufgrund der Thermospannungen ein Bruch in der Materialprobe auftritt. Bei Kenntnis der Temperaturverteilung zum Bruchzeitpunkt und einer Vielzahl von Materialkennwerten, wie zum Beispiel dem Elastizitätsmodul, der Poisson-Zahl und dem Wärmeausdehnungs- koeffizienten, lassen sich die Spannungsverhältnisse zum Bruchzeitpunkt und damit die Festigkeit der Materialprobe berechnen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung der Thermoschockrobustheit und der Materialfestigkeit von sprödversagenden, insbesondere keramischen Materialien, umfassend folgende Schritte vorgeschlagen (a) homogenes Aufheizen mindestens einer Materialprobe auf eine Solltemperatur,

(b) induzieren eines lokalen Thermoschocks durch Abkühlen mit einem in Form und Volumen definierten Fluid, wobei das Fluid eine Weberzahl von W _e > 130 aufweist, (c) Prüfung der Materialprobe auf eine Rissbildung,

(d) optional werden die Schritte a) bis c) mit der Materialprobe wiederholt wobei in Schritt a) einem höheres Soll-Temperaturniveau eingestellt wird.

Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht eine Charakterisierung von sprödversagenden Materialien, insbesondere von keramischen Materialien, hinsichtlich der Thermoschockrobustheit und der mechanischen, temperaturabhängigen Materialfestigkeit. Gleichermaßen können auch andere sprödversagende Materialien, wie zum Beispiel Gläser oder pulvertechnisch hergestellte metalli- sehe Materialien erfindungsgemäß charakterisiert werden. Die Thermoschockrobustheit wird auch Thermoschockfestigkeit genannt. Die Materialfestigkeit und die Thermoschockfestigkeit werden hierbei als Material kennwerte ermittelt. Die Auswertung der gewonnenen Messwerte für die Thermoschockfestigkeit kann im Gegensatz zu den bekannten Verfahren vorteilhafterweise ohne die Kenntnis weiterer Materialkennwerte, wie Elastizitätsmodul, Poissonzahl oder Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgen. Die Messung kann außerdem als Materialtest durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann somit im Vorfeld der unter Umständen sehr aufwendigen und kostspieligen Fertigung von Bauteilen schon eine Prüfung der mechanischen Eigenschaften der Materialien, insbesondere der Ther- moschockrobustheit erfolgen. Somit kann beurteilt werden, ob das jeweilige Material aufgrund seiner festgestellten Thermoschockrobustheit und Materialfestigkeit grundsätzlich für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.

Das verwendete Fluid weist erfindungsgemäß eine Weberzahl von W _e > 130 auf. Die Weberzahl ist ein Maß für die Tropfenverformung und wird durch folgende

Formel wiedergegeben:

^σ wobei

: Dichte des Fluid [kg/m ³ ] : Geschwindigkeit des Fluid [m/s]

L -. Charakteristische Länge/Durchmesser des Fluid [m] und : Oberflächenspannung [N/m] bedeutet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Materialprobe eine Dicke von maximal 0,5mm, bevorzugt von maximal 0,3 mm aufweisen. Die indu- zierte Abkühlung durch das Fluid kann hierbei besonders vorteilhaft über die gesamte Probendicke erfolgen und so besonders günstige Spannungsverhältnisse in der Probe hervorgerufen werden.

In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass in Schritt b) der Durchmesser dl der induzierten lokalen Abkühlung durch das Fluid zum

Materialprobendurchmesser Dl ein Verhältnis von mindestens 1:4 aufweisen kann. Das heißt, dass erfindungsgemäß bevorzugt der Durchmesser der Materialprobe (Dl) mindestens 4 mal so groß gewählt werden kann, wie der Durchmesser der induzierten lokalen Abkühlung durch das Fluid (dl). Hierdurch wer- den für den erfindungsgemäßen Materialtest besonders günstige Spannungsverhältnisse erreicht.

Erfindungsgemäß können verschiedene Materialprobenformen, insbesondere keramische Folienproben, eingesetzt werden, die einen ebenen Spannungszustand aufweisen, bei denen also bis zum Erreichen der Bruchgrenze im Wesentlichen kein Ausbeulen stattfindet. Besonders bevorzugt können kreisförmige Scheiben eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann in Schritt a) die Materialprobe berüh- rungslos, besonders bevorzugt durch eine Hochleistungslampe, auf die Solltemperatur aufgeheizt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Materialprobe keinen weiteren mechanischen Belastungen ausgesetzt wird. Andererseits kann der Aufheizvorgang besonders homogen und schnell erfolgen. Darüber hinaus kann vorteilhafterweise eine Vielzahl von Proben gleichzeitig aufgeheizt werden.

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Um eine zügige und dennoch genaue Ermittlung der Materialkennwerte der jeweiligen Materialprobe/n zu erreichen, kann erfindungsgemäß das Temperatur- steigerungsinkrement in Schritt d) < 10 ⁰ C, bevorzugt < 5 ⁰ C gewählt werden. Es können auch kleinere Temperatursteigerungsinkremente gewählt werden um die Genauigkeit weiter zu erhöhen. Dies verlängert jedoch gegebenenfalls die Verfahrensdauer. Es kann erfindungsgemäß aber auch zunächst für eine Grobbestimmung auch ein größeres Temperaturinkrement gewählt werden. In dem Temperaturbereich in dem dann eine Rissbildung festgestellt wird, kann dann nachfolgend eine Feinbestimmung mit kleineren Temperaturinkrementen durch- führt werden, die dann die Genauigkeit der Kennwertbestimmung verbessert.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Fluid ein flüssiges, bevorzugt ein wässriges Medium sein. Vorteilhafterweise können solche Fluide gut und in der Regel gefahrlos gehandhabt wer- den. Unter wässrigen Medien werden Medien verstanden, die zu mindestens 80

Gew.-% aus Wasser bestehen. Dem Wasser können beispielsweise Substanzen oder Substanzmischungen zugegeben werden, die oberflächenaktive Eigenschaften haben. Zum Beispiel können dem Wasser Tenside oder Tensidmi- schungen zugegeben sein, die die Benetzungseigenschaften des Wassers verbessern. Das Fluid kann dadurch deutlich kontrollierter auf die Materialprobe treffen. Bevorzugt werden die Substanzen oder Substanzmischungen in Mengen von 5 - 10 Gew.-% dem Wasser zugegeben. Wässrige Medien haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie wieder verwendet werden können und auch in der Entsorgung umweltfreundlich und zudem kostengünstig sind.

Erfindungsgemäß kann im Verfahren die Prüfung auf Rissbildung in Schritt c) visuell, bevorzugt mit einer fluoreszierenden Flüssigkeit unter UV-Licht erfolgten. Die Prüfung kann dabei direkt durch eine Bedienperson oder aber auch mit bekannten Mitteln und Verfahren automatisiert oder teilautomatisiert durchgeführt werden. Zum Beispiel kann durch eine automatische Kamera der Verlauf der

Prüfung kontinuierlich oder in wählbaren zeitlichen Abständen aufgezeichnet und nachfolgend ausgewertet werden. Weitere Verfahren beruhen beispielsweise auf der akustischen Detektion wie bei der Ultraschall- Resonanz oder auf Röntgenaufnahmen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das erfindungsgemäße Messverfahren mindestens teilautomatisiert durchgeführt werden. Dies

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ermöglicht einen hohen und schnellen Durchsatz von Materialproben. Auch eine statistische Absicherung der gemessenen Material kennwerte für die Thermo- schockrobustheit und Materialfestigkeit kann somit deutlich schneller erfolgen.

Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und seinen verschiedenen Ausführungsformen zur Ermittlung der Thermoschockrobustheit und der Materialfestigkeit von spröd- versagenden Materialien bereitgestellt wobei diese mindestens einen Probenteller für Materialproben, ein Mittel zum berührungslosen homogenen Aufheizen der Materialprobe/n, ein Mittel zur berührungslosen Temperaturmessung, eine Dosiereinrichtung zum Aufbringen eines in Form und Volumen definierten Fluids auf eine Materialprobe, eine Einrichtung zur Risserkennung und eine Auswerteeinheit aufweist.

Besonders bevorzugt wird die Vorrichtung teilautomatisiert oder vollautomatisch betrieben, so dass bis zur Beendigung der Prüfung vorteilhafterweise kein Eingriff durch eine Bedienperson notwendig ist. Die Prüfung ist beendet, wenn alle Proben, die eingesetzt werden eine Rissbildung zeigen oder die maximale Temperatur der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Prüfung erreicht ist.

Als Mittel zum berührungslosen homogenen Aufheizen der Materialprobe/n kann bevorzugt eine Hochleistungslampe eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann der Aufheizvorgang damit besonders schonend für die Proben und dabei besonders schnell erfolgen. Als Mittel zur berührungslosen Temperaturmessung kann beispielsweise ein Pyrometer verwendet werden. Das dosierte Aufbringen eines in Form und Volumen definierten Fluids auf eine Materialprobe kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch einen entsprechenden Tropfer realisiert werden.

Die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine computergestützte Steuerung und ein entsprechendes Software- Programm enthalten. In der Steuerung können alle erforderlichen Parameter wie zum Beispiel die Probendicken, die Fluidform und die einzuhaltenden Temperaturinkremente festgelegt und gespeichert werden sowie alle zur Auswertung erforderlichen Daten erfasst wer- den. Nach Prüfende kann dann die Auswertung vorteilhafterweise automatisch erfolgen.

Besonders bevorzugt kann die Vorrichtung einen Probenteller aufweisen, der mindestens 30 Materialproben aufnehmen kann. Hierdurch kann zum einen ein hoher und schneller Durchsatz an Proben erfolgen. Andererseits können vorteilhaft die Ergebnisse der Materialkennwert-Charakterisierung statistisch abgesi- chert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Prüfung einer Mehrzahl von Proben, insbesondere keramischen Probenfolien, auf einen Probenrundteller einer erfindungsgemäßen Vor- richtung positioniert werden. Die Proben können dabei bevorzugt in Form und

Größe gleich ausgestaltet sein. Die Proben können dabei beispielsweise eine Dicke von maximal 0,3 mm und einen minimal 4 mal so großen Durchmesser aufweisen. Der maximale Durchmesser sollte 16 mm nicht überschreiten. Diese Vorgehensweise ermöglicht einen hohen und schnellen Durchsatz von Material- proben, sowie eine statistische Absicherung der gemessenen Materialkennwerte.

Jede Probe kann berührungslos mittels einer Hochleistungslampe auf eine vorher bestimmte Solltemperatur homogen aufgeheizt werden. Vorteilhafterweise kann die Aufheizung des gesamten eingesetzten Probenvolumens durch die Hochleistungslampe gleichzeitig erfolgen, was wiederum eine zügige Durchfüh- rung des Verfahrens fördert. Eine Temperaturregelung kann dabei ebenfalls berührungslos, beispielsweise über ein Pyrometer, erfolgen. Nach dem Erreichen der Solltemperatur können die Proben noch eine Verharrungszeit bei dieser Temperatur belassen werden, so dass eine homogene Temperierung der gesamten Probe/n besonders sichergestellt wird. Die Verharrungszeit kann bevorzugt für eine Dauer von 5 sek. bis 3 min., besonders bevorzugt für eine Dauer von 10 sek. bis 60 sek., gewählt werden. Nach dieser Verharrungszeit wird ein in Form und Volumen definierter Fluid mittig auf die Probe/n gebracht und auf diese Weise ein lokaler Thermoschock induziert. Ein flüssiges bevorzugt ein wässriges Fluid kann beispielsweise durch einen Tropfer als Dosiereinrichtung aufgebracht werden. Besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß hierbei ein Verhältnis des

Durchmessers der mittig eingeleiteten Abkühlung durch das Fluid (dl) zum Probendurchmesser (Dl) von 1:4 eingehalten. Das Fluid weist dabei eine Weberzahl We > 130 auf. Nach der Durchführung der Thermoschockprüfung aller auf dem Probenteller befindlichen Proben kann bevorzugt eine visuelle Prüfung auf eine Rissbildung bei den Proben erfolgen. Zur besseren Sichtbarmachung der Rissbildung kann vorteilhafterweise zusätzlich eine fluoreszierende Flüssigkeit auf die Materialproben aufgebracht und die Prüfung unter UV-Licht durchgeführt werden.

Die Prüfung auf Rissbildung kann bevorzugt durch bekannte Verfahren automatisiert erfolgen. Für die Proben, bei denen noch keine Rissbildung festgestellt wird, kann dann automatisch ein nächst höheres Temperaturniveau eingestellt und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Schritten a) bis c) wiederholt werden.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand einer Ausführungsvariante in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, ohne hierauf be- schränkt zu sein.

In dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Materialprobe.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Materialprobe 1 aus einem sprödversagenden Material. Die Materialprobe 1 ist bevorzugt aus einem keramischen Material gefertigt. Die Materialprobe 1 kann mindestens einen Durchmesser Dl aufweisen, der viermal so groß ist wie der Durchmesser dl des Be- reichs der lokalen Abkühlung 3, die durch ein in Form und Volumen definierten Fluid 2 bewirkt wird. Das Fluid 2 weist erfindungsgemäß eine Weberzahl von W _e > 130 auf und induziert in der Materialprobe 1 einen Thermoschock.

Die Materialfestigkeiten wurden nach der Norm DIN EN 843-1 bestimmt. Erfindungsgemäß wird damit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt, mit dem auf einfache Weise eine Charakterisierung von sprödversagenden Materialien, insbesondere von keramischen Materialien, hinsichtlich der Thermoschockrobustheit und der mechanischen, temperaturabhängigen Materialfestigkeit ermöglicht wird. Die Materialfestigkeit und die Thermoschockfestigkeit kön- nen hierbei als Materialkennwerte ermittelt werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren kann die Charakterisierung vorteilhafterweise ohne die Kenntnis weiterer Materialkennwerte erfolgen.