Optische und rasterelektronenmikroskopische Feldmeßtechnik zur Verformungsanalyse heterogener Werkstoffe
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden zwei Messtechniken weiterentwickelt und untersucht, die zur Erfassung von kleinen Verformungen in mechanisch belasteten Werkstoffproben geeignet sind. Bei dem optischen Extensometer stand die Erzielung einer hohen Ortsauflösung in Verbindung mit einer hohen Zeitauflösung im Vordergrund, so dass dynamische Messungen an durch die Probe laufenden Versetzungsbändern möglich sind. Dazu wurde eine Kombination zweier Kamerasysteme eingesetzt. Eine Zeilenkamera erfasst die gesamte Probe und ermöglicht das Erkennen und Lokalisieren lokaler Verformungen in Echtzeit. Bauartbedingt kann diese Kamera aber keine zweidimensionalen Bilder aufnehmen. Dies ist die Aufgabe der zweiten Kamera, einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera. Zwei unterschiedliche Betriebsarten des Doppelkamerasystems sind möglich. Im statischen Betrieb bleibt die Hochgeschwindigkeitskamera ortsfest und beobachtet einen Ausschnitt der Probe. Sobald eine lokale Verformung in ihrem Sichtfeld auftritt, wird dies von dem Zeilenkamerasystem registriert und die Bildaufnahme der Hochgeschwindigkeits-Videokamera wird gestartet. In der dynamischen Betriebsart wird die Hochgeschwindigkeits-Videokamera mit einem Linearpositioniersystem geregelt so bewegt, dass die durch die Probe wandernde lokale Verformung stets in ihrem Sichtbereich bleibt. Mit beiden Betriebsarten wurden Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse im kooperierenden Institut für Metallphysik zur Entwicklung eines festkörperphysikalischen Modells der Versetzungsbandbewegung genutzt wurden. Da die neu beschaffte Hochgeschwindigkeits-Videokamera eine höhere Auflösung ermöglichte als zu Projektbeginn abgeschätzt, so dass bereits in der statischen Betriebsart für die Modellbildung ausreichende Daten gewonnen wurden. Im Ergebnis wurde eine den bislang dokumentierten optischen Extensometern überlegene Kombination aus Orts- und Zeitauflösung erreicht. Die zweite im Rahmen des Projekts bearbeitete Messtechnik ist eine photogrammetrische Auswertung der Rasterelektronenmikroskopie (REM). Hier besteht das Potential einer gegenüber optischen Verfahren um ein bis zwei Größenordnungen besseren Ortsauflösung. Allerdings setzt dies voraus, dass die Bildentstehung im REM detailliert verstanden wird, so dass aus der Bildinformation der zugrundeliegenden, von der Geometrie, den Materialien und den Bildaufnahmeparametern abhängige Probenzustand abgeleitet werden kann. Um dies zu erreichen, wurde eine Simulationssoftware entwickelt, die die Vorgabe einer dreidimensionalen mikroskopischen Szene erlaubt, zu der dann das zu erwartende REM-Bild berechnet wird. Stimmt dieses Bildergebnis nicht mit dem real gemessenen Bild überein, so wird eine iterative Modifikation der Modellparameter vorgenommen, bis die Differenz vernachlässigbar klein ist. Am Beispiel einer Ringstruktur mit einem Außendurchmesser von weniger als einem halben Mikrometer konnte dies exemplarisch demonstriert werden. Das Extensometer steht für werkstoffwissenschaftliche Anwendungen zur Verfügung, bei denen die lokale Auswertung dynamischer Prozesse von Interesse ist. Es ist auch heute noch allen kommerziell verfügbaren Systemen überlegen. Eine Weiterentwicklung wird derzeit nicht beabsichtigt. Die 3D-Messtechnik im REM wird derzeit im von der DFG im Normalverfahren geförderten Forschungsvorhaben „Virtuelles Rasterelektronenmikroskopie“ gemeinsam mit Herrn Dr. Bosse von der PTB weiterentwickelt, mit dem Ziel einer metrologisch rückführbaren 3D-Messtechnik für den Nano- bis Mikrometerbereich.
Publications
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