Universalgerät zur Bestimmung mikromechanischer Material- und Oberflächeneigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eines der wesentlichsten Forschungsergebnisse, zu dem der UST beigetragen hat, ist die Charakterisierung von Oberflächendefekten wie Verkratzungen auf Gläsern im Bauwesen (Promotion von Herrn Dr.-Ing. Sebastian Schula). Es konnten Defekte auf Kalk-Natron-Silikatglas gezielt mit dem Gerät erzeugt und mit in-situ im Bauwesen auftretenden Defekten verglichen werden. Die Untersuchungen haben sowohl die Veränderung der optischen Eigenschaften als auch die Veränderung der Materialfestigkeit charakterisieren können und wichtige Rückschlüsse für die Anwendung von Glas als Konstruktionswerkstoff ermöglicht. Hierfür wurden die für das Bauwesen besonders relevanten Gläser untersucht, thermisch entspanntes und thermisch vorgespanntes Glas. Die Probekörper konnten mithilfe der hohen Ortsauflösung des UST gezielt und reproduzierbar vorgeschädigt werden, sodass zum einen die Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse der unterschiedlichen Gläser untereinander sichergestellt war und zum anderen Einflussparameter wie Krafteinwirkung, Kratzfurchen, Risstiefen und Umgebungsbedingungen auf optische Beeinträchtigungen und festigkeitsreduzierende Effekte systematisch erarbeitet werden konnten. Die Vorschädigung und daraus resultierende mechanische Defekte orientierten sich an einem harten, spitzen Kontakt, da eine große Übereinstimmung mit den in-situ gefunden Defekten erzielt werden konnte. Es konnte auch gezeigt werden, dass für im Bauwesen vorherrschende atmosphärische Umgebungsbedingungen bei thermisch vorgespanntem Glas im Vergleich zu thermisch entspanntem Glas stärkere zeitabhängige Phänomene hinsichtlich Rissentstehung und Rissausbreitung auftreten und dass die zeitverzögert entstehenden Lateralrisse im Bereich der Indentation bzw. Verkratzung bei Entlastung maßgeblich für die optische Auffälligkeit von Kratzern sind. Hinsichtlich der Festigkeitsreduzierung konnte gezeigt werden, dass bei thermisch vorgespannten Gläsern aufgrund der Eigenspannungen trotz identischer Schädigungsparameter im Vergleich zu thermisch entspannten Gläsern eine geringere effektive Festigkeitsreduzierung auftritt. Hieraus haben sich viele neue Fragestellungen zur Rissentstehung und Rissausbreitung ergeben, die in Folgeprojekten untersucht werden sollen. Bei Untersuchungen zur zyklischen Ermüdung von Glas (Promotion Dr.-Ing. Jonas Hilcken) konnte das Gerät mit diesen Vorarbeiten gezielt dafür eingesetzt werden, reproduzierbare Vorschädigungen in Glas einzubringen, um statistisch aussagekräftige Ergebnisse zur zyklischen Ermüdung von Glas ableiten zu können. Es konnten Parameter abgeleitet werden, die zur gezielten Beeinflussung der charakteristischen und makroskopisch ermittelbaren Materialfestigkeit erforderlich sind. Ohne diese gezielte Vorschädigung wären die Ergebnisse zur zyklischen Ermüdung des Glases aus statistischen Gründen kaum interpretierbar gewesen. Die Erkenntnisse sind sehr wichtig für die Nutzung des Glases bei zyklischer Beanspruchung. Mithilfe des UST konnten zudem Oberflächen von Glas charakterisiert werden, die durch Sandstrahlen verändert waren. Durch die hohe Ortsauflösung des UST ist es möglich, sehr geringe Höhenunterschiede zielsicher taktil festzustellen, sodass unterschiedliche Sandstrahlparameter direkt verglichen und Qualitätsmerkmale abgeleitet werden können. Bei laserbasierten Oberflächenmarkierungen von Gläsern für die Produktionskontrolle und Qualitätssicherung wurden mit dem Gerät hochauflösende topografische Messungen durchgeführt, sodass festigkeitsbeeinflussende Effekte infolge der Oberflächenveränderung untersucht werden konnten. Schließlich wurden mithilfe des UST Mikro-Indentationsversuche an einem Silikonwerkstoff (Klebstoff) durchgeführt. Die erzeugten hochauflösenden Last-Verformungsfunktionen konnten zur Bestimmung der mechanischen Materialparameter herangezogen werden. Die Forschungsarbeiten an Polymeren sind vielversprechend und werden nun ebenso fortgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Characterisation of the scratch resistance of annealed and tempered architectural glass. Thin Solid Films, 2011, Elsevier B.V.
J. Schneider, S. Schula, W.P. Weinhold
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Characterization of the scratch behavior of architectural glass. 5th World Tribology Congress, 8. bis 13. September 2013, Turin, Italien
Schula, S.
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Optische Charakterisierung von Oberflächenschäden auf Einscheiben-Sicherheitsglas bei Fassaden- und Dachverglasungen. Glasbau 2013, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin
Schula, S., Sternberg, P. & Schneider, J.
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Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von gezielt vorgeschädigtem Floatglas aus Kalk‐Natron‐Silikatglas bei zyklischer Belastung. Glasbau 2013, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin
J. Hilcken, K. Boxheimer, J. Schneider, J.- D. Wörner
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Low Cycle Fatigue Behaviour of Butt-Welded Joints. Proceedings of the 35th Int. Conference on Mechanics of Materials - 2nd Edition, 2014
E. Lang, M. Vormwald
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Untersuchung der zyklischen Ermüdung von thermisch vorgespanntem Kalk-Natron-Silikatglas Glasbau 2014, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin
J. Hilcken, K. Boxheimer, J. Schneider, J.-D. Wörner
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Untersuchung von Kalk-Natron-Silikatglas bei schwingender Beanspruchung. Glas im konstruktiven Ingenieurbau 12, 2014
J. Hilcken, J. Schneider
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Charakterisierung der Kratzanfälligkeit von Gläsern im Bauwesen 2015, Springer Verlag, ISBN 978-3-662-47781-6
S. Schula
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Zyklische Ermüdung von thermisch entspanntem und thermisch vorgespanntem Kalk-Natron-Silikatglas 2015, Springer Verlag, ISBN 978-3-662-48352-7
J. Hilcken
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On the mechanical behavior of transparent structural silicone adhesive – TSSA International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation – SEMC 2016, Capetown, South Africa
M. Drass, J. Schneider
