Elastische Moduln anisotroper Werkstoffe be Hochtemperatur

Forschungsprojekt P 14294 Elastische Moduln anisotroper Werkstoffe bei Hochtemperaturen Karl KROMP26.06.2000 Im Zuge des rasanten Fortschritts von beispielsweise der Technologie der -Luft- und Raumfahrt und der Kommunikationstechnologie im letzten Jahrzent wurden spezielle Hochleistungsmaterialien für besondere Einsatzbereiche entwickelt. Diese Materialien, zu denen intermetallische Verbindungen, Hochleistungskeramiken und Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix zähen, sind vorwiegend anisotrop. Zur numerischen Berechnung von Belastungsfällen mit der Methode der finiten Elemente müssen die elastischen Konstanten in Abhängigkeit von Orientierung und Temperatur bekannt sein (die technischen "elastischen Moduln" können direkt aus diesen berechnet werden). Es besteht daher ein besonderes Interesse an praktikablen Verfahren zur Bestimmung der elastischen Konstanten in Abhängigkeit von Orientierung und Temperatur. Das "Resonanzverfahren" (RBT), das am Institut für Materialphysik der Universität Wien angewandt wird, wurde im Rahmen des Vorläuferprojekts P 9920-PHY, eingebunden in der europäischen Aktion COST 510, so weit entwickelt, daß Messungen bis 2000 C in Abhängigkeit von der Orientierung, das heißt für anisotrope Werkstoffe, durchgeführt werden können. Dazu wurde eine Software entwickelt, die ermöglicht, die entsprechenden Moduln halbautomatisch zu ermitteln. Ein wesentlicher Nachteil der Methode ist, daß diese Bestimmung auf lange, dünne stabförmige Proben beschränkt bleibt, die entlang der Symmetrieachsen aus den Materialien geschnitten werden. Es ist daher für bestimmte Materialien nicht möglich, den kompletten Satz von elastischen Konstanten zu erhalten, nämlich dann, wenn die entsprechenden Proben aus geometrischen Gründen nicht aus dem Material präpariert werden können. Mit Hilfe der "Resonanz - Ultraschallspektroskopie" (RUS) können kleine quaderförmige Proben, deren Seitenflächen parallel beziehungsweise senkrecht zu den Symmetrieachsen geschnitten sind, untersucht werden. Im Prinzip kann der komplette Satz Konstanten an einer einzigen Probe gemessen werden. Dies ist der Hauptvorteil im Vergleich zum RBT. Mit Hilfe von RUS wird der komplette Satz von elastischen. Konstanten durch Minimieren des Unterschiedes zwischen den gemessenen und den berechneten Resonanzspektren unter Anwenden der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Der Nachteil der RUS - Technik ist, daß ein gewisser Anteil von Eigenfrequenzen bekannt beziehungsweise identifiziert sein muß, bevor die eigentliche Berechnung des kompletten Satzes von Eigenfrequenzen beginnen kann. Wenn der Satz von Eigenfrequenzen nicht sehr genau bekannt ist, wird der mathematische Fit nicht eindeutig und es ergeben sich zu viele (falsche) Möglichkeiten, so daß das Problem unlösbar wird. Ziel des Projekts ist, das "Resonanzverfahren", RBT und die "Resonanz Ultraschallspektroskopie", RUS miteinander zu kombinieren, um das Problem zu lösen. Die Vorgehensweise ist die folgende, die Messungen werden mit langen, dünnen quaderförmigen Proben begonnen, die entlang der Symmetrieachsen geschnitten sind, wo dies geometrisch möglich ist. Mit Hilfe dieser Proben wird ein Anteil an Eigenfrequenzen bestimmt. Mit diesem Anteil an Ergebnissen wird in derselben Apparatur die RUS - Untersuchung gestartet und kann durch diese kombinierte Vorgehensweise erfolgreich zu Ende geführt werden. Die Apparatur für kombinierten Betrieb wird im Rahmen des Projekts entwickelt und gebaut. Die neue Methode wird unter anderen an C/C - Verbundwerkstoffen aus dem Düsenkörper der Boosterrakete der Ariane V im Rahmen einer direkten Zusammenarbeit, die schon mit der RBT -Methode begonnen wurde, verifiziert werden, um den kompletten Satz von elastischen Konstanten in Abhängigkeit von der Temperatur zu erhalten.