In der experimentellen Beanspruchungsanalyse ist der Einsatz von Dehnungsmessstreifen alltäglich. Besonders DMS-Rosetten mit übereinanderliegenden Messgittern bieten eine "punktgenaue" Auswertung des Dehnungszustandes an der Oberfläche eines Bauteiles. In numerischen und experimentellen Analysen wurde die Dehnungsübertragung in die übereinanderliegenden Messgitterschichten untersucht. Desweiteren wurde die Wärmeentwicklung der DMS-Rosetten auf verschiedenen Bauteilen untersucht.

Wegen ihrer Festigkeitseigenschaften werden heute zunehmend kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) eingesetzt. Für die Auslegung der Konstruktion und für die Beanspruchungsanalysen ist die Kenntnis der Materialparameter (Elastizitäts- und Schubmoduln, Querdehnzahlen) unabdingbar. Bei deren experimenteller Bestimmung mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen wird das Messergebnis durch die systemsbedingte Querempfindlichkeit der Dehnungsmessstreifen (DMS) verfälscht. Dies beeinflusst wiederum die Genauigkeit der identifizierten Werkstoffkennwerte und späterer Beanspruchungsanalysen. Daher wurden nicht nur die Materialparameter von vier verschiedenen Beispielwerkstoffen ermittelt, sondern auch der Einfluss der Querempfindlichkeit auf die Identifikation der Kennwerte und auf eine Beanspruchungsanalyse untersucht.

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften haben ultrafeinkörnige Werkstoffe, die aus konventionellen normalkörnigen Halbzeugen über eine extrem große Kaltverformung hergestellt wurden, in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung erlangt. In der vorliegenden Arbeit wird das Fließspannungsverhalten eines Reinaluminiumwerkstoffes (EN AW-1070 – Al99,7) und einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW-6060 – AlMgSi) mit Korngrößen von bis zu 660 nm und 310 nm in einem weiten Bereich von Dehnungen und Dehnraten analysiert und mit den zzt. existierenden Modellvorstellungen zu den mikrostrukturellen Abläufen in Verbindung gebracht. Um die Voraussetzung zur Herstellung von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu schaffen, wurden mehrere Werkzeugprototypen für die ECAP-Umformung im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Untersuchungen zum Fließspannungsverhalten erfolgten anhand von Zug- und Druckversuchen über insgesamt sieben Dekaden der Dehnrate bis in den Bereich der hochdynamischen Belastung von 10^3 s^-1. Die Tests zeigen, dass das Fließspannungsverhalten ultrafeinkörniger Aluminiumwerkstoffe vollständig mithilfe der thermisch aktivierbaren Mechanismen erklärbar ist, wobei Ausscheidungen eine wichtige Rolle spielen. / Because of their exceptional properties ultrafine-grained materials, processed from conventional polycrystalline materials by severe plastic deformation, have gained increasing scientific and industrial interest during the last two decades. Based on the concept of work-hardening for f.c.c. metals the commercially pure aluminium AA1070 (Al99,7 – soft annealed) and the aluminium alloy AA6060 (AlMgSi – peak aged) were investigated. ECAP was used to introduce very high strains and an ultrafine-grained microstructure with grain sizes down to 660 nm and 310 nm. Subsequently compression and tensile tests were performed in a wide range of strain rates over seven decades up to the range of impact loading of 10^3 s^-1. The results indicate that strain path and the corresponding dislocation structure is important for the post-ECAP yielding and the following hardening response. Furthermore the precipitates of the AA6060 clearly constrain the interactions of dislocations in work-hardening stage III – causing lower strain rate sensitivity. If compared to the AA1070 they avoid hardening in stage V where an additional rate and temperature depending effect contributes – caused by the interaction of deformation induced vacancies and dislocations. The results indicate that the strain-hardening behavior can be described by thermal activated mechanisms.

Die elektrische Dehnungsmesstechnik auf der Grundlage separater Dehnungsmessstreifen (DMS) stellt heute eine der wesentlichsten Methoden zur experimentellen Beanspruchungs- analyse dar. Präzise Messungen außerhalb der Kalibrierbedingungen, insbesondere bei großen Deformationen oder hohen Querdehnungsanteilen, erfordern die Berücksichtigung nicht- linearer Zusammenhänge zwischen den zu bestimmenden Komponenten der Bauteildehnung und der Widerstandsänderung des Messgitters. Die Theorie dieser Zusammenhänge wird in zwei unterschiedlichen Formulierungen dargestellt. In der ersten Formulierung werden die für den Messgitterwerkstoff geltenden Leitfähigkeiten durch einem dreidimensionalen Ansatz mit den Dehnungskomponenten im Leiter verknüpft. Die Bestimmung der definierten Leitfähigkeitsparameter erfolgt exemplarisch für eine DMS-Konstantanfolie. In Form von Übertragungsfaktoren wird berücksichtigt, dass die Querdehnungskomponente der Bauteildehnung nicht vollständig auf die Stege und Umlenkstellen des Messgitters übertragen wird. Die zweite Formulierung basiert auf den vom DMS-Hersteller angegebenen Empfindlichkeiten präparierter Dehnungsmessstreifen in Längs- und Querrichtung. Die Genauigkeit der abgeleiteten Widerstands-Dehnungsbeziehungen wird durch zwei unter- schiedliche Versuche, bei denen die DMS-Messstellen längs bzw. quer zum einachsigen Spannungsfeld orientiert sind, überprüft. Die maximalen Dehnungen betragen dabei 5 bzw. 8 %.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Messunsicherheit bei der experimentellen Spannungsanalyse mittels Metallfoliendehnungsmessstreifen. Trotz langjähriger Verfügbarkeit von Dehnungsmessstreifen und den Kenntnissen über deren Wirkungsmechanismen, inklusive der damit verbundenen Abweichungen, existieren nur wenige Betrachtungen hinsichtlich der Messunsicherheit. Vor allem die große Anzahl möglicher Einflüsse und die daraus resultierenden systematischen Abweichungen, in Kombination mit einer fehlenden Möglichkeit zur Kalibrierung, stellen eine Herausforderung und meist einen hohen Aufwand dar. Diese komplexe Ausgangssituation wird anhand theoretischer und praktischer Untersuchungen analysiert und bewertet. Dabei wird das Ziel verfolgt, eine möglichst große Menge von Messaufgaben abzudecken, ohne zugleich eine übermäßig große Messunsicherheit hinnehmen zu müssen. Nach einer umfassenden Darstellung verschiedener Abweichungen werden zunächst die Einflüsse systematisiert. Darauf aufbauend werden Randbedingungen für häufig auftretende Messaufgaben abgeleitet und als Standardszenario zusammengefasst. Im anschließenden Abschnitt werden alle Einflüsse, die im Rahmen der Arbeit nicht empirisch untersucht werden können, mit Hilfe der Randbedingungen theoretisch betrachtet. Einen wesentlichen Anteil an der resultierenden Messunsicherheit besitzen dabei die Ermüdungserscheinungen und die Rückwirkung. Relevant, jedoch von untergeordneter Bedeutung, sind die Hysterese, das Kriechen und die Querempfindlichkeit. Im empirischen Teil wird ein modifizierter Versuchsstand zur Bestimmung des k-Faktors dargestellt, mit dem zeitgleich bis zu 36 Dehnungsmessstreifen untersucht werden können. Einen Schwerpunkt dabei bildet die Mechanik des verwendeten breiten Biegebalkens. Die Auswertung zeigt, dass die Richtungsabweichung der 72 untersuchten Dehnungsmessstreifen weniger als 1° beträgt. Die Messunsicherheit bezüglich des Nullpunktes bei der Dehnungsmessung resultiert vor allem aus der temperaturbedingten Scheindehnung. Deren Korrektur mit dem Polynom laut Datenblatt ist aufgrund der Unsicherheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0-30 °C von geringer Wirkung. Bei Langzeitmessungen ab etwa 30-50 Tagen ist trotz Abdeckung mit Polyurethan-Lack zudem die feuchtigkeitsspezifische Nullpunktdrift von Bedeutung. Die Empfindlichkeit der Dehnungsmessung wird durch die losspezifische Streuung des k-Faktors dominiert und ist nicht zeitabhängig. Abschließend werden alle untersuchten Einflüsse zusammengefasst und verglichen. Dadurch wird offensichtlich, dass durch gezielte Einschränkung der zulässigen Lastwechselzahl und der mechanischen Eigenschaften des Messobjektes im Standardszenario die Messunsicherheit um 23 % reduzierbar ist. Zusätzlich wird die Anpassung der Randbedingungen an eine Langzeitmessung mit erweitertem Temperaturbereich demonstriert.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.1.1 Motivation 1.1.2 Zielstellung und Abgrenzung der Arbeit 1.2 Verfahrensweise und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Abschätzung der Messunsicherheit 2.1.1 Systematik der Messabweichungen 2.1.2 Grundlagen der Messunsicherheit 2.1.3 Messunsicherheit nach GUM und GUM S1 2.1.4 Messaufgabenspezifische Messunsicherheit 2.2 Metallfolien-DMS 2.2.1 Messprinzip 2.2.2 Ursachen für Messabweichungen 2.2.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Abweichungen 2.3 Statistische Methoden 2.3.1 Design of Experiments (DoE) 2.3.2 Statistische Methoden zur Versuchsauswertung 3 Entwurf eines Standardszenarios 3.1 Definition des Standardszenarios 3.2 Randbedingungen für das Standardszenario 3.2.1 Mensch 3.2.2 Messmittel 3.2.3 Versuchsdurchführung 3.2.4 Messobjekt 3.2.5 Umgebungsbedingungen 3.3 Ursachen und Effekte im Standardszenario 3.3.1 Applikation 3.3.2 Messmittel 3.3.3 Versuch 3.3.4 Umgebung 3.4 Angewandte Methoden zur Reduzierung von Abweichungen 3.4.1 Kompensationsverfahren 3.4.2 Korrektion von Abweichungen 4 Theoretische Betrachtung der Messunsicherheiten 4.1 Vorgehensweise bei der Abschätzung der Messunsicherheit 4.2 Messmittel 4.2.1 Messverstärker 4.2.2 Rauschen 4.3 Versuch 4.3.1 Querdehnungsempfindlichkeit 4.3.2 Ermüdungsverhalten 4.3.3 Hysterese 4.3.4 Kriechen 4.3.5 Rückwirkung 4.3.6 Linearität 4.4 Umgebungseinflüsse 4.4.1 Thermospannung 4.4.2 Thermische Drift 5 Empirische Untersuchung zur Messunsicherheit 5.1 Versuchsplanung 5.1.1 Versuchsbeschreibung 5.1.2 Versuchsmaterial und Personal 5.1.3 Versuchsplan 5.1.4 Versuchsablauf 5.2 Versuchsaufbau zur Bestimmung des k-Faktors 5.2.1 Theoretische Grundlagen zum Versuch 5.2.2 Probenmechanik des breiten Biegebalkens 5.2.3 Praktische Umsetzung der 4-Punkt-Biegung 5.3 Langzeitversuch 5.3.1 Versuchsaufbau und Datenerfassung 5.3.2 Umgebungsbedingungen 5.4 Auswertung der Versuche 5.4.1 Richtungsabweichung 5.4.2 Grundwiderstand 5.4.3 Nullpunkt 5.4.4 k-Faktor 6 Messunsicherheit für das Standardszenario und Zusammenfassung 6.1 Zusammenfassung des Standardszenarios 6.1.1 Messunsicherheit Standardszenario 6.1.2 Anpassung des Standardszenarios 6.2 Zusammenfassung und Ausblick 6.2.1 Zusammenfassung 6.2.2 Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Nichtlinearität der Wheatstoneschen Messbrücke B Tabellen zum Standardszenario C Herleitungen zur theoretischen Abschätzung D Bestimmung der Materialkennwerte E Daten der einzelnen Messstellen des Versuchs F Ergänzungen zum Versuch G Ergänzungen zur Auswertung des Versuchs / This thesis deals with the determination of the measurement uncertainty in experimental stressanalysis using metal foil strain gauges. Despite the availability of strain gauges for many years and the knowledge of their mechanisms of action, including the associated errors, only a few considerations exist with regard to the measurement uncertainty. Particulary the large number of possible influences and the resulting systematic errors, in combination with a lack of possibility for calibration, represent a challenge and usually a high expense. This complex initial situation is analysed and evaluated on the basis of theoretical and practical investigations. The aim is to cover as many measurement tasks as possible without having to accept an excessively high measurement uncertainty at the same time. After a comprehensive presentation of various errors, the influences are first systematized. Based on this, boundary conditions for frequently occurring measurement tasks are derived and summarized as a standard scenario. In the following section, all influences that cannot be investigated empirically within the scope of the work are considered theoretically with the help of the boundary conditions. The fatigue damage and the reinforcement effect have a significant share in the resulting measurement uncertainty. Relevant, but of secondary importance, are hysteresis, creep and transverse sensitivity. In the empirical part, a modified test rig for determining the k-factor is presented, with which up to 36 strain gauges can be measured simultaneously. One focus is on the mechanics of the wide bending beam used. The evaluation shows that the error due to misalignment of the 72 examined strain gauges is less than 1°. The measurement uncertainty with regard to the zero-point in the strain measurement results primarily from the thermal output of the strain gauge. Its correction with the polynomial according to the data sheet is of little effect due to the uncertainty of the thermal expansion coefficients in the temperature range of 0-30 °C. In the case of long-term measurements from about 30-50 days, the moisture-specific zero-point drift is also significant despite covering in polyurethane lacquer. The sensitivity of the strain measurement is dominated by the batch-specific scatter of the k-factor and is not time-dependent. Finally, all examined influences are summarised and compared. This illustrates that the measurement uncertainty can be reduced by 23 % in the standard scenario by specifically limiting the permissible number of load cycles and mechanical properties of the test object. In addition, the adaptation of the boundary conditions to a long-term measurement with extended temperature range is demonstrated.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.1.1 Motivation 1.1.2 Zielstellung und Abgrenzung der Arbeit 1.2 Verfahrensweise und Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Abschätzung der Messunsicherheit 2.1.1 Systematik der Messabweichungen 2.1.2 Grundlagen der Messunsicherheit 2.1.3 Messunsicherheit nach GUM und GUM S1 2.1.4 Messaufgabenspezifische Messunsicherheit 2.2 Metallfolien-DMS 2.2.1 Messprinzip 2.2.2 Ursachen für Messabweichungen 2.2.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Abweichungen 2.3 Statistische Methoden 2.3.1 Design of Experiments (DoE) 2.3.2 Statistische Methoden zur Versuchsauswertung 3 Entwurf eines Standardszenarios 3.1 Definition des Standardszenarios 3.2 Randbedingungen für das Standardszenario 3.2.1 Mensch 3.2.2 Messmittel 3.2.3 Versuchsdurchführung 3.2.4 Messobjekt 3.2.5 Umgebungsbedingungen 3.3 Ursachen und Effekte im Standardszenario 3.3.1 Applikation 3.3.2 Messmittel 3.3.3 Versuch 3.3.4 Umgebung 3.4 Angewandte Methoden zur Reduzierung von Abweichungen 3.4.1 Kompensationsverfahren 3.4.2 Korrektion von Abweichungen 4 Theoretische Betrachtung der Messunsicherheiten 4.1 Vorgehensweise bei der Abschätzung der Messunsicherheit 4.2 Messmittel 4.2.1 Messverstärker 4.2.2 Rauschen 4.3 Versuch 4.3.1 Querdehnungsempfindlichkeit 4.3.2 Ermüdungsverhalten 4.3.3 Hysterese 4.3.4 Kriechen 4.3.5 Rückwirkung 4.3.6 Linearität 4.4 Umgebungseinflüsse 4.4.1 Thermospannung 4.4.2 Thermische Drift 5 Empirische Untersuchung zur Messunsicherheit 5.1 Versuchsplanung 5.1.1 Versuchsbeschreibung 5.1.2 Versuchsmaterial und Personal 5.1.3 Versuchsplan 5.1.4 Versuchsablauf 5.2 Versuchsaufbau zur Bestimmung des k-Faktors 5.2.1 Theoretische Grundlagen zum Versuch 5.2.2 Probenmechanik des breiten Biegebalkens 5.2.3 Praktische Umsetzung der 4-Punkt-Biegung 5.3 Langzeitversuch 5.3.1 Versuchsaufbau und Datenerfassung 5.3.2 Umgebungsbedingungen 5.4 Auswertung der Versuche 5.4.1 Richtungsabweichung 5.4.2 Grundwiderstand 5.4.3 Nullpunkt 5.4.4 k-Faktor 6 Messunsicherheit für das Standardszenario und Zusammenfassung 6.1 Zusammenfassung des Standardszenarios 6.1.1 Messunsicherheit Standardszenario 6.1.2 Anpassung des Standardszenarios 6.2 Zusammenfassung und Ausblick 6.2.1 Zusammenfassung 6.2.2 Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Nichtlinearität der Wheatstoneschen Messbrücke B Tabellen zum Standardszenario C Herleitungen zur theoretischen Abschätzung D Bestimmung der Materialkennwerte E Daten der einzelnen Messstellen des Versuchs F Ergänzungen zum Versuch G Ergänzungen zur Auswertung des Versuchs

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften haben ultrafeinkörnige Werkstoffe, die aus konventionellen normalkörnigen Halbzeugen über eine extrem große Kaltverformung hergestellt wurden, in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung erlangt. In der vorliegenden Arbeit wird das Fließspannungsverhalten eines Reinaluminiumwerkstoffes (EN AW-1070 – Al99,7) und einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW-6060 – AlMgSi) mit Korngrößen von bis zu 660 nm und 310 nm in einem weiten Bereich von Dehnungen und Dehnraten analysiert und mit den zzt. existierenden Modellvorstellungen zu den mikrostrukturellen Abläufen in Verbindung gebracht. Um die Voraussetzung zur Herstellung von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu schaffen, wurden mehrere Werkzeugprototypen für die ECAP-Umformung im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Untersuchungen zum Fließspannungsverhalten erfolgten anhand von Zug- und Druckversuchen über insgesamt sieben Dekaden der Dehnrate bis in den Bereich der hochdynamischen Belastung von 10^3 s^-1. Die Tests zeigen, dass das Fließspannungsverhalten ultrafeinkörniger Aluminiumwerkstoffe vollständig mithilfe der thermisch aktivierbaren Mechanismen erklärbar ist, wobei Ausscheidungen eine wichtige Rolle spielen. / Because of their exceptional properties ultrafine-grained materials, processed from conventional polycrystalline materials by severe plastic deformation, have gained increasing scientific and industrial interest during the last two decades. Based on the concept of work-hardening for f.c.c. metals the commercially pure aluminium AA1070 (Al99,7 – soft annealed) and the aluminium alloy AA6060 (AlMgSi – peak aged) were investigated. ECAP was used to introduce very high strains and an ultrafine-grained microstructure with grain sizes down to 660 nm and 310 nm. Subsequently compression and tensile tests were performed in a wide range of strain rates over seven decades up to the range of impact loading of 10^3 s^-1. The results indicate that strain path and the corresponding dislocation structure is important for the post-ECAP yielding and the following hardening response. Furthermore the precipitates of the AA6060 clearly constrain the interactions of dislocations in work-hardening stage III – causing lower strain rate sensitivity. If compared to the AA1070 they avoid hardening in stage V where an additional rate and temperature depending effect contributes – caused by the interaction of deformation induced vacancies and dislocations. The results indicate that the strain-hardening behavior can be described by thermal activated mechanisms.