Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MayaraSCFL_DISSERT.pdf: 5165682 bytes, checksum: c5b249c3b897f27db4e517452be9b9ce (MD5) Previous issue date: 2012-04-30 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Composites based on PEEK + PTFE + CARBON FIBER + Graphite (G_CFRP) has increased application in the top industries, as Aerospace, Aeronautical, Petroleum, Biomedical, Mechanical and Electronics Engineering challenges. A commercially available G_CFRP was warmed up to three different levels of thermal energy to identify the main damage mechanisms and some evidences for their intrinsic transitions. An experimental test rig for systematize a heat flux was developed in this dissertation, based on the Joule Effect. It was built using an isothermal container, an internal heat source and a real-time measurement system for test a sample by time. A standard conical-cylindrical tip was inserted into a soldering iron, commercially available and identified by three different levels of nominal electrical power, 40W (manufacturer A), 40W (manufacturer B), 100W and 150W, selected after screening tests: these power levels for the heat source, after one hour of heating and one hour of cooling in situ, carried out three different zones of degradation in the composite surface. The bench was instrumented with twelve thermocouples, a wattmeter and a video camera. The twelve specimens tested suffered different degradation mechanisms, analyzed by DSC (Differential Scanning Calorimetry) and TG (Thermogravimetry) techniques, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy-Dispersive X-Rays (EDX) Analysis. Before and after each testing, it was measured the hardness of the sample by HRM (Hardness Rockwell M). Excellent correlations (R2=1) were obtained in the plots of the evaporated area after one hour of heating and one hour of cooling in situ versus (1) the respective power of heat source and (2) the central temperature of the sample. However, as resulting of the differential degradation of G_CFRP and their anisotropy, confirmed by their variable thermal properties, viscoelastic and plastic properties, there were both linear and non-linear behaviour between the temperature field and Rockwell M hardness measured in the radial and circumferential directions of the samples. Some morphological features of the damaged zones are presented and discussed, as, for example, the crazing and skeletonization mechanism of G_CFRP / Comp?sitos baseados em matrizes polim?ricas de PEEK e PTFE, refor?adas com fibra de carbono e grafite (G_CFRP) apresentam crescente aplica??o e desafios ? Engenharia nas ind?strias Aeroespacial, Aeron?utica, de Petr?leo, Biom?dica, Mec?nica e Eletr?nica. Um comp?sito G_CFRP foi aquecido em tr?s n?veis de energia t?rmica para identificar os principais mecanismos de dano e algumas evid?ncias em suas transi??es de mecanismos. Uma bancada experimental foi desenvolvida para sistematizar o fluxo t?rmico com base no Efeito Joule. Foi constru?da usando-se um recipiente isot?rmico, uma fonte quente interna e um sistema de medidas em tempo real para ensaiar um corpo-de-prova (CP) de cada vez. Uma ponta c?nica-cil?ndrica foi inserida em um ferro de soldar, comercialmente dispon?vel e identificado por tr?s diferentes n?veis de pot?ncia el?trica, 40W (fabricante A), 40W (fabricante B), 100W e 150W, selecionados ap?s ensaios piloto: estes n?veis de pot?ncia para a fonte quente, ap?s uma hora de aquecimento e uma hora de resfriamento in situ, promoveu tr?s zonas diferentes de degrada??o na superf?cie do comp?sito. A bancada foi instrumentada com doze termopares, um watt?metro e uma c?mera de v?deo. Os doze C.P. ensaiados apresentaram diferentes mecanismos de degrada??o, analisados pelas t?cnicas de Calorimetria Diferencial Explorat?ria (DSC) e Termogravimetria (TG), e pelas an?lises de Microscopia Eletr?nica de Varredura (MEV) e Energia Dispersiva de Raios-X (EDS). Antes e ap?s cada ensaio, foram feitos ensaios de dureza Rockwell M (HRM). Excelentes correla??es (R2=1) foram obtidas nas curvas da ?rea evaporada ap?s uma hora de aquecimento e uma hora de resfriamento in situ versus (1) a respectiva pot?ncia da fonte quente e (2) a temperatura central do C.P. entretanto, como resultado da degrada??o diferencial do G_CFRP e da sua anisotropia, confirmadas por suas propriedades t?rmicas vari?veis, propriedades viscoel?sticas e viscopl?sticas, houve comportamentos linear e n?o-linear entre o campo de temperatura e a HRM medidos nas dire??es radial e circunferencial dos C.P. Algumas peculiaridades morfol?gicas das zonas de dano s?o apresentadas e discutidas, como, por exemplo, os mecanismos de dano por crazing e esqueletiza??o do G_CFRP

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von CrNi-Stahl/Aluminium-Mischverbunden mit dem Ziel der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Erhöhung der Lebensdauer der Lötverbindungen. Da sich die Eigenschaften der Fügepartner stark unterscheiden, ist ein geeignetes Fügeverfahren erforderlich. Die wesentliche Herausforderung besteht in der Vermeidung der Bildung von dicken intermetallischen Schichten in der Reaktionszone, welche die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Lötverbindungen verschlechtern. Dementsprechend wird ausgehend vom Stand der Technik ein Konzept zur vollständigen Untersuchung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen der Mischverbunde erarbeitet und umgesetzt. Die Mischverbunde werden durch Induktionslöten hergestellt, was einen lokalen Wärmeeintrag in die Fügestelle ermöglicht. Dadurch können Lötverbindungen mit dünnen Reaktionszonen erzeugt werden. Das Potenzial der Lötverbindungen wird anhand von Zugscher- und Ermüdungsversuchen aufgezeigt, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden.:Abkürzungen und Formelzeichen iii Abkürzungen iii Formelzeichen iv Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis xi 1 Einleitung und Motivation 1 2 Stand der Technik 2 2.1 Anwendungen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 2 2.2 Stoffschlüssiges Fügen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.1 Schweißen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.2 Löten von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 8 2.2.2.1 Grundlagen 8 2.2.2.2 Verfahren und Lotwerkstoffe 10 2.3 Besonderheiten bei Stahl/Aluminium-Mischverbunden 15 2.3.1 Intermetallische Fe-Al-Verbindungen in der Reaktionszone 15 2.3.2 Kontrolle der Bildung und des Wachstums der Reaktionszone 20 2.3.3 Problematik bei mechanischer Charakterisierung der Mischverbunde 23 3 Folgerungen und Zielstellung 27 4 Experimentelle Durchführung 29 4.1 Grund- und Lotwerkstoffe 29 4.2 Benetzungs- und Lötversuche 31 4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 34 4.3.1 Mikrostrukturanalyse 34 4.3.2 Mikrohärtemessung und Nanoindentation 35 4.3.3 Thermische Auslagerung 37 4.4 Mechanische Charakterisierung 39 4.4.1 Zugscher- und Warmzugscherversuche 39 4.4.2 Ermüdungsversuche 40 5 Ergebnisse 43 5.1 Benetzungsverhalten 43 5.2 Mikrostrukturelle Untersuchungen 45 5.2.1 Mikrostruktur der Lötverbindungen und Bildung der Reaktionszone 45 5.2.2 Mechanische Charakteristika der Gefügebestandteile 55 5.3 Festigkeitsuntersuchungen 59 5.3.1 Quasistatische Untersuchungen gelöteter Mischverbunde 59 5.3.2 Ermüdungsverhalten gelöteter Mischverbunde 69 5.4 Korrelation zwischen Reaktionszonendicke und Festigkeit 81 6 Diskussion der Ergebnisse 88 7 Zusammenfassung und Ausblick 92 8 Anlagen 93 8.1 Übersicht der Benetzungsproben auf Stahl X5CrNi18-10 93 8.2 Übersicht der Benetzungsproben auf AlMn1Cu 94 8.3 Beispiel der Ergebnisse der EDX-Analyse 95 8.4 Härteverlauf über die Reaktionszone 96 8.5 EBSD-Analyse der Lötverbindung 97 8.6 Mikrozugversuche 98 8.7 TEM-Untersuchungen der hergestellten Lötverbindungen 99 9 Literaturverzeichnis 102 10 Normenverzeichnis 112 11 Publikationen 113 / This thesis deals with the production of aluminum/stainless steel mixed joints in order to improve the mechanical properties and to extend the lifetime of the joints. Because of the different physical properties of the joining partners, a suitable joining technique is necessary. In comparison to welding, brazing offers significant advantages due to the lower liquidus temperature of the used brazing fillers. The main challenge is to prevent the formation of thick intermetallic layers in the reaction zone. These layers deteriorate the mechanical properties of the resulting joints predominantly. Correspondingly, a concept for the complete investigation of the microstructure-property relationships of the brazed joints is investigated. The joints are produced by induction brazing, which takes place in a short process time and allows a local heat input into the joint. Therefore, joints with a thin intermetallic layer in the reaction zone can be manufactured. The potential of the joints is demonstrated using monotonic tensile shear tests as well as fatigue tests. The achieved results are correlated with the results of the microstructural and fractographic analysis.:Abkürzungen und Formelzeichen iii Abkürzungen iii Formelzeichen iv Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis xi 1 Einleitung und Motivation 1 2 Stand der Technik 2 2.1 Anwendungen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 2 2.2 Stoffschlüssiges Fügen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.1 Schweißen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.2 Löten von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 8 2.2.2.1 Grundlagen 8 2.2.2.2 Verfahren und Lotwerkstoffe 10 2.3 Besonderheiten bei Stahl/Aluminium-Mischverbunden 15 2.3.1 Intermetallische Fe-Al-Verbindungen in der Reaktionszone 15 2.3.2 Kontrolle der Bildung und des Wachstums der Reaktionszone 20 2.3.3 Problematik bei mechanischer Charakterisierung der Mischverbunde 23 3 Folgerungen und Zielstellung 27 4 Experimentelle Durchführung 29 4.1 Grund- und Lotwerkstoffe 29 4.2 Benetzungs- und Lötversuche 31 4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 34 4.3.1 Mikrostrukturanalyse 34 4.3.2 Mikrohärtemessung und Nanoindentation 35 4.3.3 Thermische Auslagerung 37 4.4 Mechanische Charakterisierung 39 4.4.1 Zugscher- und Warmzugscherversuche 39 4.4.2 Ermüdungsversuche 40 5 Ergebnisse 43 5.1 Benetzungsverhalten 43 5.2 Mikrostrukturelle Untersuchungen 45 5.2.1 Mikrostruktur der Lötverbindungen und Bildung der Reaktionszone 45 5.2.2 Mechanische Charakteristika der Gefügebestandteile 55 5.3 Festigkeitsuntersuchungen 59 5.3.1 Quasistatische Untersuchungen gelöteter Mischverbunde 59 5.3.2 Ermüdungsverhalten gelöteter Mischverbunde 69 5.4 Korrelation zwischen Reaktionszonendicke und Festigkeit 81 6 Diskussion der Ergebnisse 88 7 Zusammenfassung und Ausblick 92 8 Anlagen 93 8.1 Übersicht der Benetzungsproben auf Stahl X5CrNi18-10 93 8.2 Übersicht der Benetzungsproben auf AlMn1Cu 94 8.3 Beispiel der Ergebnisse der EDX-Analyse 95 8.4 Härteverlauf über die Reaktionszone 96 8.5 EBSD-Analyse der Lötverbindung 97 8.6 Mikrozugversuche 98 8.7 TEM-Untersuchungen der hergestellten Lötverbindungen 99 9 Literaturverzeichnis 102 10 Normenverzeichnis 112 11 Publikationen 113