Quantitative Analyse feinkörniger, komplexer und mehrphasiger Mikrostrukturen

  • Quantitative analysis of fine-grained, complex and multi-phase microstructures

Fischer, Martin; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Hoffmann, Franz (Thesis advisor)

Aachen (2015, 2016)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2015

Kurzfassung

Um den steigenden Anforderungen an die Materialeigenschaften gerecht zu werden, bestehen die Mikrostrukturen in modernen Stahlsorten häufig nicht nur aus mehreren Phasen, sondern werden auch feiner und komplexer in ihrem Aufbau. Dies führt zu erheblichen Problemen bei der Charakterisierung. Die geringe Größe der Strukturen erschwert die Untersuchung und Vermessung, während Mehrphasigkeit, Komplexität und Variantenreichtum der Erscheinungsformen eine eindeutige Beschreibung verhindern. Diese Situation beeinträchtigt sowohl die Anwendung der Materialien als auch ihre Weiterentwicklung, da für beides eine eindeutige Ansprache der Gefüge erforderlich ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war, die quantitative Charakterisierung feinstrukturierter, mehrphasiger und komplexer Mikrostrukturen zu ermöglichen. Dazu wurde eine Analysemethode basierend auf der sogenannten "objektbasierten Bildanalyse" entwickelt. Mit dieser Methode wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen untersucht, die einen guten Kompromiss darstellen zwischen hoher Auflösung und der Möglichkeit, statistisch relevante Bereiche in relativ kurzer Zeit untersuchen zu können. Die Entwicklung fand in mehreren Stufen statt, in denen unterschiedliche Analysestrategien getestet und evaluiert wurden. Gleichzeitig wurde schrittweise die Komplexität der betrachteten Mikrostrukturen erhöht. Design und Ablauf des Analyseprozesses wurden maßgeblich durch den menschlichen Wahrnehmungsprozess inspiriert, der durch seinen einfachen Aufbau sehr effektiv und flexibel ist. Die finale Version der Bildanalyse-Routine ist in zwei strikt voneinander getrennte Schritte aufgeteilt: 1. Strukturerkennung: Die Strukturen eines Bildes werden analysiert und Daten über Geometrien und Kontext der erkannten Strukturbestandteile extrahiert. Dabei findet noch keine Klassifizierung statt. 2. Klassifizierung: Mit Hilfe der Informationen aus der Strukturerkennung werden die Gefügebestandteile klassifiziert.Die Strukturerkennungsroutine wird bei den Analysen universell verwendet, während die Klassifizierungsroutine zur Steigerung der Zuverlässigkeit an jeweils einen Mikrostruktur-Typus angepasst ist. Dies können beispielsweise ferritisch-perlitische Strukturen in einem AFP-Stahl oder bainitische Strukturen in einem HDB-Stahl sein. Die Analyseroutine wurde in 5 praktischen Anwendungsszenarien getestet und evaluiert, in denen von der Prozessführung abhängige Variationen unterschiedlicher Mikrostrukturtypen untersucht wurden. Bei der Anwendung der Bildanalyseroutine werden umfangreiche Datensätze verfügbar mit Informationen zu Anteilen, Größen, Formen und Verteilungen aller detektierten Mikrostrukturbestandteile. Mit Hilfe dieser Informationen konnten in den Testszenarien wesentliche Zusammenhänge zwischen Herstellungsprozess, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften aufgedeckt werden. Die Routine erwies sich in der Anwendung als gut übertragbar. Mit ihr können mit relativ geringem Aufwand auch größere Zahlen an REM-Aufnahmen analysiert werden. Die mit der entwickelten Analysemethode mögliche Quantifizierung löst viele der Probleme, die bei der heute üblichen Klassifizierung komplexer Mikrostrukturen auftreten. Durch die gewonnenen Informationen wird die Beschreibung von Mikrostrukturen in modernen Stahlsorten mit entscheidenden Informationen ergänzt und ein besseres Verständnis der komplexen Wechselwirkungen der Gefügebestandteile ermöglicht.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern