Enhanced mechanical performance of nanostructured metals through systematically modified interfaces

Titel in Übersetzung: Verbesserte mechanische Performance von nanostrukturierten Metallen durch systematisch modifizierte Grenzflächen

Michael Wurmshuber

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Nanostrukturierte Materialien sind vielversprechende Kandidaten für die Anstrengungen "Super-Strukturmaterialien", die ultra-hohe Festigkeit, Verformbarkeit und exzellente Bruchzähigkeit vereinigen, zu kreieren. Vor allem nanokristalline Metalle, ultra-feinkörnige Metalle und Metall-Metall Nanokomposite zeigen großes Potential die allgemeine Unvereinbarkeit dieser mechanischen Eigenschaften zu überwinden. Jedoch stellen die Unmengen an Korngrenzen und Grenzflächen innerhalb dieser Materialien Schwachstellen des Gefüges dar und limitieren jegliche weitere Verbesserung von Duktilität und Zähigkeit. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, die Festigkeit dieser Schwachstellen mit der Hilfe von Dopingelementen zu stärken. Ab-initio Simulationen zeigten, dass diese Dopingelemente die Korngrenz- und Grenzflächenkohäsion verbessern. Die zwei Materialsysteme, welche für diesen Ansatz ausgewählt wurden, sind ultra-feinkörniges Wolfram und nanokristalline Wolfram-Kupfer Verbunde, zwei Werkstoffe mit aufregendem Umsetzungspotential in zukünftigen Hochleistungsanwendungen, wie zum Beispiel in Kernfusionsreaktoren. Nachdem die theoretischen Konzepte und der Stand der Forschung vorgestellt wurden, präsentiert diese Arbeit die entwickelte Herstellungsroute, die Pulverkompaktierung und plastische Hochverformung involviert und die verwendet wurde um die ungedopten und gedopten Materialienproben zu erzeugen. Der Einfluss von Dopingelementen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften wurde mit Hilfe von hochauflösenden Charakterisierungsmethoden und mikromechanischen Experimenten adressiert. Signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften beider Materialsysteme konnten durch Doping mit bestimmten Elementen erzielt werden, während andere Elemente fast keinen oder sogar einen negativen Effekt auf die mechanische Leistungsfähigkeit zeigten. Die verschiedenen Reaktionen der nanostrukturierten Materialien auf die diversen Dopingelemente sind in dieser Arbeit ausführlich diskutiert. Schlussendlich wurden die Effekte von Heliumbestrahlung, wie sie in Kernfusionsreaktoren vorkommt, auf das Anschwellen und auf die Veränderung mechanischer Eigenschaften der beiden Werkstoffe untersucht und mit deren konventionell strukturierten Pendants verglichen, um das Anwendungspotential dieser Materialien in der Kerntechnologie noch einmal zu unterstreichen. Alles in allem konnte der Festigkeit-Duktilität Kompromiss durch Korngrenz- und Grenzflächendoping von nanostrukturierten Metallen angefochten werden. Die allgemeine mechanische Leistungsfähigkeit von ultra-feinkörnigem W und W-Cu Nanokompositen konnte erheblich verbessert werden, was die beiden Materialien zu plausiblen und praktikablen Optionen für die Verwendung in Hochleistungsanwendungen macht.
Titel in ÜbersetzungVerbesserte mechanische Performance von nanostrukturierten Metallen durch systematisch modifizierte Grenzflächen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hosemann, Peter, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Kiener, Daniel, Betreuer (intern)
  • Merle, Benoit, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Clemens, Helmut, Mitbetreuer (intern)
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • nanostrukturierte Materialien
  • Mikromechanik
  • mechanische Eigenschaften
  • Bruchzähigkeit
  • Kernfusion

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