DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Röntgen-Refraktions-Topographie - ein zerstörungsfreies Werkzeug zur Charakterisierung von Schädigungen in Kunststoffen

O. Bullinger, G. Busse
Universität Stuttgart, Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde, Stuttgart, Deutschland
Tel: + 49 (0) 711 685 3957, Fax: + 49 (0) 711 685 2066, email: bullinger@ikp.uni-stuttgart.de
Kontakt: Dipl.-Phys. Oliver Bullinger

Abstract:

Röntgenrefraktometrie basiert auf der Brechung von Röntgenstrahlung an mikroskopisch kleinen Grenzflächen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Elektronendichten. Daher wird in Polymerwerkstoffen die Refraktion zwischen Faser und Matrix durch deren Differenz in der Elektronendichte verursacht. Ein Luftspalt zwischen beiden, wie er bei Faser/Matrix-Ablösung entsteht, verändert die Refraktion und damit auch die geringe Reflexion. Eine solche belastungsbedingte Schädigung zeigt sich somit am Refraktionswert C, welcher ein Maß für die spezifische Innere Oberfläche im Material ist. Zwar ändern Matrixrisse ebenfalls den Refraktionswert, aber aufgrund der unterschiedlichen Richtungsabhängigkeiten lassen sich die beiden Effekte trennen. Die Aussage über das Versagen der Faser-Matrix-Anbindung hilft bei der Beurteilung der Faser-Matrix-Kopplung ("Schlichte") und der Vorhersage des mechanischen Verhaltens.

Es werden Röntgenrefraktometriemessungen an Zugstäben aus kurzglasfaser-verstärkten Polypropylen vorgestellt, die geschlichtete oder ungeschlichtete Fasern enthalten. Ziel der Untersuchungen ist die zerstörungsfreie Charakterisierung der unterschiedlichen Schädigungsevolution durch Zug. Um den schädigungsbedingten Signalhub zu bestimmen, wurden die Proben vor der Belastung und zwölf Stunden danach gemessen und die Differenz aus beiden Messwerten gebildet. Es zeigt sich, dass die geschlichteten Proben generell weniger Grenzflächen ausbilden. Die Schlichte erfüllt somit die erwartete den Verbund stärkende Funktion. Als dominierender Schädigungsmechanismus stellt sich die Rissbildung in der Matrix heraus. Die Röntgenrefraktion ermöglicht durch die zerstörungsfreie Detektion von Grenzflächen im Werkstoff somit Aussagen, welche ansonsten nur mittels zerstörender Prüfmethoden (z.B. Schliffbilder) zu erhalten sind.

Einleitung

Röntgenverfahren sind Bestandteil des klassischen Repertoires der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) zur Untersuchung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe [1]. Allgemein bekannt ist die Durchstrahlungsprüfung als direkt bildgebendes Verfahren. Aber auch Klein- und Weitwinkelstreuung finden zunehmend Anwendung zur Bestimmung von Werkstoffparametern [2].

Bisher wenig beachtet blieb die Brechung von Röntgenstrahlung. Die Grundlagen wurden bereits um 1930 von Compton und Allison [3] beschrieben, aber erst in den letzten Jahren wurde dieses Wissen von Hentschel et al. auf die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung übertragen [4].

Grundlagen und apparativer Aufbau

Die Röntgenrefraktometrie nutzt die Brechung elektromagnetischer Wellen an Grenzflächen von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes aus. Anders als für sichtbares Licht ist in diesem Wellenlängenbereich der Brechungsindex etwas kleiner als 1, wodurch eine Zylinderlinse als Zerstreuungslinse und umgekehrt eine Matrix-Pore als Sammellinse wirken. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Glas bei 8 keV Strahlung

n=1-d, d=10-5 (1)

Bedingt durch diese geringe Abweichung von 1 bewegt sich der Ablenkwinkel der zu beobachtenden Strahlung innerhalb weniger Bogenminuten. Um Röntgenstrahlung in diesem Winkelbereich störungsfrei messen zu können, bedient man sich einer Kleinwinkelstreukammer mit Kratky-Kollimation (Abbildung 1). Die Anordnung der Kollimationsblöcke verhindert die Ausbreitung von Blendenstreustrahlung im Raum oberhalb des Hauptstrahles, so dass hier ausschließlich die am Probenort hervorgerufene Refraktion gemessen wird. Zusätzlich wird der Strahl in vertikaler Richtung auf eine Höhe von ca. 40µm begrenzt. Gemessen wird die Refraktion nach Abblocken des Primärstrahles (Detektorspalt) über einen Szintillationszähler. In gleichem Maße muss die Information über eine eventuelle Absorption der Strahlung in der Probe gewonnen werden. Eine Streuung des Hauptstrahls nach Durchlaufen der Probe an einer schräg stehenden Folie liefert die gewünschte Aussage. Es besteht die Möglichkeit, größere Flächen abzurastern. Dazu wird die Probe mittels zweier Manipulatoren verschoben, die Informationen über Refraktion und Absorption ortskorreliert erfasst und als Datenfeld zur späteren Auswertung abgelegt. Die ortsabhängige Darstellung dieser Zählraten ergibt ein zweidimensionales Computerbild ("Röntgen-Refraktions-Topogramm").


Abb 1: Messaufbau zur Röntgenrefraktometrie.

Zur quantitativen Auswertung dient der Refraktionswert C. Er ist ein Maß für die innere Oberflächendichte der Probe und berechnet sich aus den Messgrößen gemäß [5]

(2)

d Probendicke
IR, IA refraktierte bzw. transmittierte Intensität, jeweils auf die Nullzählraten normiert.

Mittels eines geeigneten Standards von bekannter innerer Oberfläche lässt sich die relative innere Oberflächendichte C auf eine reale innere Oberflächendichte umrechnen.

Detektierbarkeit von Faser- und Rissorientierungen

Die Möglichkeit, Riss- bzw. Faserorientierungen zu trennen, ist ein besonderes Merkmal des Verfahrens. Der Spalt vor dem Refraktionsdetektor wirkt durch seine längliche Abmessung dabei als räumlicher Filter: vom Refraktionsmuster der Probe gelangt nur jene Intensität in den Zähler, deren Verteilungsmuster parallel zur Spaltöffnung orientiert ist. So misst der Refraktionsdetektor im Falle einer parallel zum Detektorspalt liegenden Faser mehr Intensität, als wenn die Faser um 90° gedreht quer im Röntgenstrahl steht (siehe Abbildung 2), da das Brechungsmuster einer Faser senkrecht zur Faserachse orientiert ist. Diese Besonderheit des Versuchaufbaus ermöglicht eine rudimentäre Aussage über Faserorientierungen.


Abb 2: Orientierungsmessung mit der Röntgenrefraktometrie. Der Detektorspalt dient nicht nur zur Einstellung des Streuwinkels. Da nur ein Teil des Refraktionssignals zum Detektor gelangt, ist auch die Unterscheidung von Orientierungen möglich. Im linken Bild trifft die von der Faser weggebrochene Intensität auf den unteren Teil des Spaltes. Im rechten Bild dagegen gelangt ein Teil der gebrochenen Strahlung in den Messspalt und wird registriert.

Messungen an geschlichtetem und ungeschlichtetem Polypropylen


Abb 3: Spannungs-Dehnungs-Diagramm für ungeschlichtetes und geschlichtetes Material mit 30% Glasfasergehalt.
Ziel dieser Messungen ist es, die Schädigung an faserverstärktem Polypropylen (PP) zu verfolgen und die Unterschiede im Werkstoffverhalten unter Belastung mit Hilfe der Röntgen-refraktometrie herauszuarbeiten. Für die Untersuchungen wurden mittels Spritzguß hergestellte Normzugproben (Typ 1 A) nach DIN EN ISO 527-2 mit 30 Gewichtsprozent Kurzglasfasern jeweils mit guter und schlechter Faser-Matrix-Haftung (Fasern beschichtet bzw. unbeschichtet) verwendet, die eine Vorzugsrichtung der Fasern in Längs- bzw. Zugrichtung zeigen. Zur Ermittlung der Kennwerte (siehe Tabelle 1) wurden jeweils vier Zugversuche ausgewertet. Der E-Modul wurde abweichend von der Norm mit 5 mm/min ermittelt, da die in-situ Zugversuche mit der selben Geschwindigkeit durchgeführt werden. Aus den entsprechenden Spannungs- Dehnungs-Kurven (Abbildung 3) geht hervor, dass die Steifigkeit der Zugproben im Rahmen der Messfehler keine Unterschiede bezüglich der Faser-Matrix-Haftung zeigt. Bei allen angegebenen Spannungen hingegen sind die Zunahmen von jeweils ca. 95% in den geschlichteten Proben ausschließlich auf die Haftung zurückzuführen. Die Faser-Matrix-Haftung spielt demzufolge im nichtlinearen Bereich eine große Rolle. Um den Zusammenhang zwischen Faser-Matrix-Haftung und Versagen zu ermitteln, wurden die Bruchflächen der gerissenen Proben untersucht [6]. Schon mit bloßem Auge erkennt man Unterschiede im Bruchverhalten:

Material E-Modul,
DE
[MPa]
max.
Spannung
[MPa]
Dehnung
bei max.
Spannung
[%]
Bruch-
Spannung
[MPa]
Bruch-
Dehnung
[%]
ungeschlichtet 5946,8 41,2 2,5±0,1 39,4 2,8

±198,6 ±0,4 ±0,4 ±0,3 ±0,3
geschlichtet 6190 77,9 2,9 77,3 3,2

±86,1 ±0,8 ±0,1 ±0,9 ±0,1
Tabelle 1: Kennwerte der untersuchten Polypropylenproben.

Bei den Proben mit schlechter Faser-Matrix-Haftung ist die Bruchfläche relativ glatt (Abbildung 4, oben links), während bei den Proben mit guter Haftung die Bruchflächen (Abbildung 4, oben rechts) stark zerklüftet sind. Dies hatte zur Folge, dass nach einem Zerreißen der Proben die beiden Bruchflächen bei schlechter Haftung getrennt waren, während die beiden zerklüfteten noch ineinander hakten. Dieser Unterschied lässt vermuten, dass der Bruch bei guter Haftung langsamer abläuft als bei schlechter. Bei einer Vergrößerung der mit dem Rasterelektronenmikroskop erhaltenen Bruchflächenbilder ist bei schlechter Faser-Matrix-Haftung das Herauslösen der Fasern aus der Matrix zu erkennen (Abbildung 4, unten links). Die Proben versagen vorzugsweise an der Grenzschicht. An Proben mit guter Haftung klebt Matrix an den Fasern (Abbildung 4, unten rechts), was ein Versagen der Matrix vermuten lässt.

Abb 4: REM-Aufnahme der Bruchfläche von Proben mit schlechter (links) und guter (rechts) Faser-Matrix-Haftung. Die Detailaufnahmen im unteren Bild zeigen, dass nur im Falle der geschlichteten Proben (gute Faser-Matrix-Haftung) Matrix an den Fasern haftet.

Charakterisierung geschädigter Proben mit der Röntgenrefrakto-metrie.

Abb 5: Schädigung der Matrix (oben) und der Faser-Matrix-Grenzfläche (unten) für geschlichtetes und ungeschlichtetes faserverstärktes Polypropylen.

Die Charakterisierung begann mit der Messung der Proben im ungeschädigten Zustand. Danach erfolgte die Schädigung an einer Zugprüfmaschine (Zwick BLA). Die gewünschte Dehnung wurde angefahren, zehn Minuten gehalten und dann entlastet. Anschließend wurden die Proben für zwölf Stunden im Normalklima gelagert (Temperatur: 23, Feuchte: 50%). In dieser Zeit sind alle reversiblen Relaxationsprozesse im Material abgeklungen. Die Messung des geschädigten Zustandes schließt den Charakterisierungszyklus ab. Die gleichzeitige Untersuchung einer ungeschädigten Referenzprobe ermöglicht, eventuelle Änderungen des Streuwinkels (z.B. durch Schwankung des Hauptstrahls) rechnerisch zu kompensieren. Die Schädigung äußert sich integral über die gesamte Probe durch einen Anstieg des Refraktionssignals im Vergleich zum unbelasteten Zugstab. Bei horizontaler Probenausrichtung erkennt man im Refraktionssignal die Schäden an der Faser-Matrix-Grenzfläche, bei vertikaler Probenausrichtung werden die Schäden in der Matrix detektiert. Die Abbildung 5 zeigt jeweils den schädigungsbedingten Signalhub in Abhängigkeit von der Dehnung für die Proben mit guter und schlechter Faser-Matrix-Haftung. Für Matrixschädigung (Abbildung 5 oben) ergibt sich für beide Fälle am Anfang ein linearer Anstieg, wobei die Geradensteigung für das ungeschlichtete Material größer ist. Ab 2,0% Dehnung kommt es für beide Materialien zu einem starken Anstieg der schädigungsbedingten Signaldifferenz. Für das geschlichtete Material setzt sich der Anstieg auch für 3% Dehnung fort. Das ungeschlichtete Material weist bei 3% Dehnung hingegen einen Einbruch im Signalverlauf auf. Der Einbruch lässt vermuten, dass sich beim Bruch die bis zu dieser Dehnstufe entstandenen kleinen Risse zu größeren Rissen zusammenschließen, die mit Röntgenrefraktion schlechter zu detektieren sind. Für die Schädigung an der Faser-Matrix-Grenzfläche (Abbildung 5 unten) ist ein ähnliches Verhalten zu erkennen: Nach einem linearen Anstieg des Signals (erneut eine größere Geradensteigung für die ungeschlichteten Fasern) folgt ab 2,0% Dehnung ein Bereich größerer Signaldifferenzen. Auch hier ist bei 3% Dehnung der Sprung für die ungeschlichteten Fasern festzustellen. Als Erklärung bietet sich auch hier nur das Zusammenwachsen vieler kleiner Risse zu größeren und schlechter detektierbaren Rissen an. Die geringere Signaldifferenz zwischen geschädigtem und ungeschädigtem Zustand für die Faser-Matrix-Grenzfläche beweist, dass die Matrixschädigung dominiert. Hier wird deutlich, dass die Schlichte verstärkend wirkt. Bis zu einer Dehnung von 2,0% ist de facto keine schädigungsbedingte Signaländerung messbar. Die Spannung wird von der Matrix aufgenommen und durch kleine Risse abgebaut. Dies macht sich durch höhere Signaldifferenzen zwischen geschädigter und ungeschädigter Probe bemerkbar (siehe Abbildung 5 oben). Ab 2,5% Dehnung kann die beschlichtete Faser die Matrix auch nicht mehr halten: Die Matrix gleitet an der Faser ab, und es entstehen zusätzliche Grenzflächen. Diese Entwicklung setzt sich bis zum Bruch fort.

Zusammenfassung

Die Röntgenrefraktion nutzt die Brechung von Röntgenstrahlung an Materialübergängen zur zerstörungsfreien Charakterisierung. Es werden sowohl innere Oberflächen (Risse) als auch brechende Komponenten des Werkstoffes (z.B. Fasern) angezeigt. Das Verfahren erlaubt Aussagen über Faser- bzw. Rissorientierungen im Material. Im Falle der untersuchten Proben bildet das geschlichtete Material generell weniger Grenzflächen aus. Der dominierende Schädigungsmechanismus ist die Rissbildung in der Matrix. Die Röntgenrefraktion ermöglicht durch die zerstörungsfreie Detektion von Grenzflächen im Werkstoff Aussagen, welche sonst nur mittels zerstörender Prüfmethoden (z.B. Schliffbilder, REM) zu erhalten sind.

Danksagung

Der Dank der Autoren gilt der Firma A. Schulmann für die kostenlose Herstellung der Polypropylen-Proben, sowie Herrn Dr. Rübesam von der SPECS GmbH für die Benutzung der Analysesoftware. Ebenfalls zu Dank verpflichtet sind wir der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 381 ("Charakterisierung des Schädigungsverlaufes in Faserverbundwerkstoffen mittels zerstörungsfreier Prüfung") diese Forschungen ermöglicht hat.

Literatur

  1. Glocker, R., Materialprüfung mit Röntgenstrahlen, Springer Verlag, Berlin, (1971)
  2. Hentschel, M. P., Lange, A., Harbich, K.-W., Ekenhorst, D., Schors, J., Röntgentopographische Verfahren, Materialprüfung, 40, 5, (1998), 170-174
  3. Compton, A. H. and S. K. Allison, X-rays in theory and experiment, D. van Nostrand Company, Inc., New York, (1949)
  4. Hentschel, M. P., Hosemann, R., Lange, A., Uther, B., Brückner, R., Röntgenkleinwinkelbrechung an Metalldrähten, Glasfäden und hartelastischem Polypropylen, Acta Crystallographica, A, 43, (1987), 506-513
  5. Hentschel, M. P. and K.-W. Harbich, Einzelfaserhaftung in Kompositen, Materialprüfung, 35, 3, (1993), 63-67
  6. Sonderforschungbereich 381: Charakterisierung des Schädigungsverlaufes in Faserverbundwerkstoffen mittels Zerstörungsfreier Prüfung; Ergebnisbericht 1997 - 1999. Universität Stuttgart, 2000

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