Zusammenhang zwischen Materialmikrostruktur und elektromagnetischer Emission
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt „Zusammenhang zwischen Materialmikrostruktur und elektromagnetischer Emission" haben wir das Phänomen der EME sowohl beim Sprödbruch als auch bei tribologischer Belastung untersucht. Die Frage nach möglichen Ursachen für die beobachteten tribologisch induzierte EME konnten wir mithilfe von Simulationen gezielt eingrenzen, indem wir verschiedene Quellmechanismen betrachtet und deren Ergebnisse mit den gemessenen EME-Signalen verglichen haben. Entscheidend dabei war, die Filterwirkung der realen Messkette auf das EME-Signal zu berücksichtigen. Als mögliche Quellmechanismen wurden der Anstieg des Ladungsträgerungleichgewichts auf den Kontaktflächen der Reibpartner durch Mikrobrüche aufgrund abrasiver Effekte, sowie die Oszillation geladener Kontaktflächen während der Reibbewegung aufgrund deren Rauheit untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass ein niederfrequenter Potentialanstieg (wie er entweder durch elektrostatische Aufladung oder den Aufbau eines Ladungsungleichgewichts durch Mikrobrüche zustande kommt) zusammen mit einer Oszillation der Reibpartner senkrecht zur Kontaktfläche die Ursache für die beobachteten hochfrequenten EME-Wellenzüge sein kann. Zudem wurde ein Prüfaufbau für Reibung in Rotation mit simultaner EME-Messung entwickelt. Dadurch konnte die zuvor verwendete Translationsbewegung der Reibpartner als mögliche Störquelle für EME-Signale durch die zeitlich veränderliche Raumladungsdichte im Detektionsbereich des EME-Sensors ausgeschlossen werden. Für den Versuch wurde außerdem Keramik als Reibpartner verwendet. Auch hier konnten EME-Signale schon bei geringem Anpressdruck detektiert werden, weshalb in diesem Fall nicht die elektrostatische Kontaktaufladung, sondern Mikrobrüche durch Abrasion zum Aufbau des Ladungsungleichgewichts beitragen müssen. Entscheidend ist am Ende vor allem, und das haben die Simulationen gezeigt, dass es neben dem Ladungsungleichgewicht zu einer räumlichen Trennung der Ladungen kommt, was bereits im Mikrometer-Bereich ausreicht und somit durch die Oberflächenrauheit der untersuchten Materialien gegeben ist. Des Weiteren wurde der Einfluss der Bruchdynamik auf die EME untersucht. Durch unterschiedlich wärmebehandelten Stahl konnte die Bruchdynamik gezielt verändert werden. Dabei zeigte sich deutlich eine nichtlineare Abhängigkeit der EME-Signalstärke von der jeweiligen Härte des Stahls. Zur genaueren Untersuchung der Bruchdynamik wurden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Biegeversuchs und der anschließenden Bewegung der Bruchhälften durchgeführt, sowie eine Methode zur Synchronisierung der Aufnahmen mit der Detektion der EME-Signale entwickelt. Dadurch konnte bewiesen werden, dass das Risswachstum zeitlich deutlich vor dem Erreichen der EME-Signalamplitude abgeschlossen ist und somit nicht mehr die Zunahme des Ladungsungleichgewichts durch Bindungstrennung zum Signalanstieg beitragen kann. Durch eine Extraktion der Bewegungsdaten und Nutzung dieser als Eingangsparameter für eine quasi-stationäre Simulation konnte gezeigt werden, dass eine statische Oberflächenladung mit jeweils entgegengesetzter Ladung auf den Bruchflächen und die anschließende räumlich Trennung durch die Translationsbewegung der Bruchhälften ausreicht, um ein Signal mit einer Anstiegszeit nahe der des realen EME-Signals zu erhalten. Mit diesen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Bruchdynamik einen Einfluss auf die Signalintensität hat, als auch den zeitlichen Verlauf in Bezug auf die Signalanstiegszeit maßgeblich bestimmt. Für die EME bei hochleitfähigen Materialien konnten erste numerische Modelle zeigen, dass es unter gewissen Annahmen durchaus zu detektierbaren EME-Signalen kommen kann. Die Ergebnisse dieses Projekts führten zu einer in sich schlüssigen Hypothese zur Entstehung von EME bei tribologischen Prozessen und zu einem besseren Verständnis der Einflussfaktoren auf die Charakteristik von EME-Signalen in unseren Experimenten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Untersuchung der elektromagnetischen Emission beim Bruch spröder Materialien", DGZfP-Jahrestagung, 2021
Christoph F. Appel und Markus G.R. Sause
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Einfluss der Rissdynamik auf die Anstiegszeit von elektromagnetischer Emission und Schallemission, SCHALL23, 2023
Christoph F. Appel und Markus G.R. Sause
