Veränderung der lokalen topologischen und geometrischen Eigenschaften von Titan 3D-Netzwerkstrukturen unter Kompression
Creators: name: Berger, Stefan
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Tomographie
subject: Netzwerkstrukturen
subject: Titan
subject: Magnesium
subject: mechanische Eigenschaften
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science
classificationCode: 6
subject: Technology::660: Chemical Engineering
classificationCode: 5
subject: Natural Sciences and Mathematics::530: Physics

description: Um die mechanischen Eigenschaften metallischer Schäume in Bezug auf Porosität oder Dichte zu bestimmen, werden häufig die Gibson-Ashby-Beziehungen herangezogen. Da diese Beziehungen jedoch nur für Schäume mit geringer Dichte gelten, wurden in der Literatur Modifikationen vorgenommen, um die Fähigkeit der Modelle zur Beschreibung des experimentellen mechanischen Verhaltens zu verbessern. Hierzu zählen die Einführung einer effektiven Dichte, die nichtlasttragende Anteile abzieht, Änderungen der Knotenabstände im Netzwerk sowie die Berücksichtigung der Konnektivität des Netzwerks über die Anzahl der linear unabhängigen geschlossenen Kreise pro Volumeneinheit. Trotz dieser Modifikationen ist es in vielen Fällen immer noch nicht möglich, das mechanische Verhalten von porösen Metallen allein anhand bekannter Parameter zu beschreiben und vorherzusagen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, weitere topologische Merkmale zu identifizieren, die einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Netzwerkstrukturen haben. Poröses Titan, als Modellmaterial, sowie identisch strukturierte Titan-Magnesium-Komposite wurden mittels Flüssigmetallentlegierung hergestellt. Die Verformung wurde durch Druckversuche in einem Nanotomographen untersucht. Die rekonstruierten Proben wurden als Skelett vereinfacht und als gewichteter Graph dargestellt. Dies ermöglichte die Berechnung einer gewichteten Ringbasis für die Netzwerkstruktur, zur statistischen Analyse der geschlossenen Kreise als strukturbildende Elemente. Dieser neue Ansatz ermöglicht es Änderungen der Topologie der Struktur und der Geometrie der strukturbildenden Einheiten zu analysieren. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die Verformung in beiden Fällen hauptsächlich durch Verformung der größeren strukturellen Einheiten erfolgt, während kleinere Ringe zwar ihre Position im Netzwerk ändern, aber nicht ihre Form. Es konnte auch beobachtet werden, dass in porösen Strukturen Kontakte zwischen den Ligamenten entstehen und dass in dem Komposit eine transversale Ausdehnung der Ringe auftritt. Diese Untersuchung präsentiert eine neue Perspektive auf die Verformung poröser Metalle, die auf der Größenverteilung der strukturbildenden Einheiten basiert.
description: The Gibson-Ashby relation is often used to establish a correlation between the mechanical properties of metallic foams and their porosity or density. However, this relation is applicable strictly to low-density foams. To enhance the ability of structural models to describe the experimental mechanical behavior, various modifications have been introduced in the literature, such as considering an effective density by subtracting non-load-bearing parts, accounting for variations in node distances within the network, and incorporating the number of linarly independent closed loops per volume as a measure of global network connectivity. In many cases, the mechanical behavior of porous metals cannot be predicted solely based on the parameters mentioned above. The objective of this study is to identify additional local topological features that have an impact on the mechanical properties.\\ Bicontinous titanium, as a model material, and two-phase composites made of titanium and magnesium with identical structures were fabricated using liquid metal dealloying. Compression tests were conducted in an x-ray nanotomograph to investigate the deformation. The reconstructed structures were simplified through skeletonization and the resulting skeleton was represented as a weighted graph. This enabled the calculation of a ring basis for the network, to do statistical analysis of the closed loops as the structure building elements. This new method allows the discription of topological changes of the structure and geometrical changes of the structure building elements. A key finding was that the deformation in both cases primarily occurred through the deformation of larger structural units, while smaller rings changed position, but not their shape within the network. The formation of contacts between ligaments in the porous samples and the additional lateral expansion of the rings in the two-phase composites were observed. This study introduces a novel perspective on deformation of porous metals through a model based on the size distribution of structural building units.