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Authors: Hammes, Daniel Markus
Title: Data processing, 3D grain boundary modelling and analysis of in-situ deformation experiments using an automated fabric analyser microscope
Online publication date: 12-Dec-2017
Language: english
Abstract: The microstructure and fabric of a material influence critically the mechanical properties, such as the tensile strength and ductility. This holds for metals and ceramics, as well as for rocks and ice. Furthermore, microstructure and fabric provide vital information about the deformation and annealing history of polycrystalline solids. Rock and ice thin sections can be scanned in high resolution and the orientation of the crystallographic c-axis determined using an automatic fabric analyser microscope (“Fabric Analyser”). The FAME (Fabric Analyser based Microstructure Evaluation) software, based on the original FAME scripts by Peternell et al. (2014), was developed in MATLAB to analyse the data recorded data. In addition to an improved grain labelling, FAME incorporates a new “testing” gadget to simplify the determination of appropriate grain labelling parameters. FAME introduced a couple of new statistic and plotting tools, including c-axis misorientation maps and a toolbox to export FAME data to the elle (mod-elling software)-supported file format. The data processed by FAME also provided the basis for FAGO (Fabric Analyser Grain boundary recOnstruction), a new and innovative approach for reconstructing grain boundaries in 3D from geological thin sections. Grain boundaries are an important aspect of the microstructure and play a significant role during recrystallization. However, there used to be a lack of non-destructive and easy-to-use computer supported methods to de-termine grain boundary geometries in 3D. The newly developed method basically uses the highest birefringence colour (retardation) at each pixel in the field of view acquired by the 9 different oriented light sources of the Fabric Analyser. Retardation profiles across grain boundaries enable the calculation of grain boundary angle and direction. In combi-nation with the lateral position of the grain boundary, acquired using FAME, the data is used to reconstruct a 3D grain boundary model. The data processing is almost fully automatic by using MATLAB. An important application of FAME is the analysis of in-situ pure shear ice deformation experiments which allow a continuous observation of the microstructure during the pro-gress of deformation using the Fabric Analyser. The experimental modelling of ice pro-vide vital information about the rheological behavior of ice which is necessary to under-stand the movement of glacier. Three ice samples from the Sørsdal Glacier were deformed at -10°C; two at relative fast strain rate (2*10-6 1/s) and one at relative slow rate (1*10-6 1/s) by M. Peternell and C.J.L. Wilson. It was revealed that no steady state was reached in the slow strain experiment, even at 57.6% strain. The concentration of dislocations on large grains in hard glide position seems to lead to cyclic changes in the population of grains in easy glide position and impedes the approach to the steady state in this experi-ment. In contrast to the well-established literature a stabilised mean grain size proved not to be a reliable indicator for the steady state. Instead two new microstructure-based indicators for the steady state were introduced, the “seeding rate” and the “microstructure activity”.
Die Mikrostruktur eines Materials beeinflusst die mechanischen Eigenschaften sub-stantiell, wie z.B. die Zerreißfestigkeit und die Dehnbarkeit. Dies gilt sowohl für Metalle und keramische Werkstoffe, als auch für Gestein und Eis. Die Mikrostruktur liefert auch entscheidende Informationen über vorangegangen Materialbeeinflussung wie Deformati-onen und Tempern von polykristallinen Feststoffen. Gesteins- und Eisdünnschliffe können mit einem automatischen Gefügemikroskop („Fabric Analyser“) mit hoher Auflösung gescannt und die Orientierung der kristallogra-phischen c-Achse bestimmt werden. Für die Analyse der aufgenommenen Daten wurde die „FAME“ (Fabric Analyser based Microstructure Evaluation) Software, basierend auf den Vorarbeiten von Peternell et al. (2014), entwickelt. Zusätzlich zu einer verbesserten Kornsegmentierung bietet FAME z.B. auch eine „Testing“-Funktion die die Bestimmung der passenden Analyseparameter vereinfacht. FAME führt zusätzlich auch eine Anzahl neuer Statistiken und graphischer Darstellungen ein, wie z.B. „c-axis misorientation maps“ und die Möglichkeit vom Export ins Dateiformat der Modellierplatform „elle“. Die von FAME generierten Daten sind auch die Grundlage von FAGO (Fabric Analy-ser Grain boundary recOnstruction), einer neuen und innovativen Methode für die Re-konstruktion von Korngrenzen in 3D. Korngrenzen sind ein wichtiger Aspekt der Mikro-struktur und sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Rekristallisation. Es mangelt jedoch an zerstörungsfreien und einfach zu benutzenden computerbasierten Methoden für die Bestimmung der Kornstruktur in 3D. Die neuentwickelte Methode verwendet die höchste Farbe der Doppelbrechung („retardation“, Gangunterschied) in jedem betrachteten Pixel und aus den 9 verschieden angeordneten Lichtrichtquellen des Fabric Analy-sers. Profile der retardation quer über die Korngrenze dienen zur Bestimmung des Ein-fallswinkels und der Einfallsrichtung der Korngrenze. Zusammen mit der von FAME bestimmten lateralen Position der Korngrenze lässt sich ein 3D Modell erstellen. Durch die Implementierung in MATLAB® ist FAGO fast vollautomatisch. Eine weitere wichtige Anwendung von FAME ist die Analyse von in-situ Eisdeformationsexperimenten welche die kontinuierliche Betrachtung der Entwicklung der Mikro-struktur mit Hilfe des Fabric Analysers während der Deformationen erlauben. Das experimentelle Modellieren von Eis liefert wichtige Informationen für das Verständnis der rheologischen Eigenschaften welche notwendig sind um das Fließverhalten und Gletschern besser verstehen zu können. Drei Eisproben vom Sørsdal-Gletscher wurden von M. Peternell und C.J.L. Wilson bei -10°C deformiert, zwei mit relativ hoher (2*10-6 1/s) und eines mit vergleichsweise niedriger Verformungsrate (1*10-6 1/s). Sogar bei einer Verformung von 57,6% wurde bei letzterem Experiment kein Gleichgewichtszustand („steady state“) erreicht. Die Konzentration von Fehlstellen im Kristall wird konzentriert in großen Körnern, welche in Bezug auf die basale Gleitfläche ungünstig orientiert sind. Dies führt zu einer periodischen Änderung der Population der Körner in günstiger Orien-tierung, welche die Einstellung eines Gleichgewichtszustands verhindert. Die stabilisierte mittlere Korngröße zeigte sich als nicht zuverlässiger Indikator für ein Erreichen des Gleichgewichtszustands, im Gegensatz zu vorangegangenen Studien. Stattdessen wurden zwei neue, auf der Mikrostruktur basierende, Indikatoren eingeführt, die „Nukleationsrate“ und die „Mikrostrukturaktivität“.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1385
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 98 Seiten
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