High Temperature Nanoindentation as a Versatile Tool to Examine Thermally Activated Deformation Mechanisms

Titel in Übersetzung: Hochtemperatur Nanoindentation als ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung von thermisch aktivierten Verformungsmechanismen

Johann Kappacher

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Moderne technische Geräte der Mikroelektronik, Energiegewinnung oder Displaytechnologie werden immer kleiner. Daher sind Prüfmethoden in kleinen Dimensionen ein wachsendes Forschungsfeld, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien in solchen Anwendungsfeldern zu untersuchen. Durch die Miniaturisierung können sich die zugrundeliegenden Verformungsmechanismen grundlegend ändern, welche untersucht und verstanden werden müssen um die Zuverlässigkeit solcher Geräte zu sichern. Die tiefenregistrierende Härteprüfung, allgemein als Nanoindentation bekannt, kann eine solche Prüftechnik sein, und mit fortschreitender Verbesserung der Methodik können eine Vielzahl von Materialeigenschaften ermittelt werden. In der vorliegenden Dissertation wird die Hochtemperatur Nanoindentation mit einem Schwerpunkt auf Methodik und thermisches Management systematisch untersucht. Verschiedene Techniken der thermischen Aktivierungsanalyse wurden durchgeführt um den dominierenden Verformungsmechanismus einer Reihe von Werkstoffen mit einem Fokus auf kubisch raumzentrierten Metallen zu untersuchen. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss von Legierungselementen und Korngrößenvariationen bis in den ultrafeinkörnigen Bereich gelegt. Die Ergebnisse zeigten, dass in grobkörnigen W-Re Legierungen das Legierungselement Re vorwiegend die Tieftemperaturplastizität durch ein Verringern des Peierls Potentials beeinflusst, während bei hohen Testtemperaturen die Wechselwirkung zwischen Versetzungen dominiert. Im Gegensatz dazu wirkt sich in denselben Materialien, wenn die Korngröße auf wenige hundert Nanometer verringert wird, der Effekt von Re hauptsächlich auf die Hochtemperatureigenschaften durch Korngrenzdiffusion aus. In Untersuchungen an Ta2.5W mit maßgeschneiderten Korngrenzen konnte die Rolle der Missorientierung zwischen den Körnern und der daraus geänderten Korngrenzdiffusion auf das Hochtemperaturverhalten in kubisch raumzentrierten Metallen untersucht werden. Es wurde gezeigt, dass die Temperatur- und Dehnratenabhängigkeit der Fließspannung für Proben mit überwiegendem Kleinwinkelkorngrenzcharakter deutlich reduzierter ausfällt im Vergleich zu solchen mit Großwinkelkorngrenzen. Außerdem wurden die mechanischen Eigenschaften und der Verformungsmechanismus, welche während einer Phasenumwandlung auftreten untersucht. Dies erfolgte in einer bisher nicht beschriebene Art mittels mikromechanischer Methoden an reinem metallischen Cobalt. Dadurch konnte gezeigt werden, wie sich eine Änderung der Kristallstruktur auf die Plastizität auswirkt. In Cobalt ändert sich mit steigender Temperatur der Verformungsmechanismus von reibspannungskontrolliertem Versetzungsgleiten auf der Basalebene zu Versetzungsquergleiten. Oberhalb der Umwandlungstemperatur tritt als ratenbestimmender Schritt das Schneiden von Waldversetzungen auf. Die vorliegende Arbeit hebt die Vielseitigkeit von weiterentwickelten Hochtemperatur Nanoindentationsmethoden für die thermische Aktivierungsanalyse und die Bestimmung des dominierenden Versetzungsmechanismus in einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe hervor. Damit sollen in Zukunft Materialien für Hochleistungsanwendungen mit komplexer Mikrostruktur gezielt entwickelt werden können um den hohen Anforderungen an spezielle Werkstoffeigenschaften gerecht zu werden.
Titel in ÜbersetzungHochtemperatur Nanoindentation als ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung von thermisch aktivierten Verformungsmechanismen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Clemens, Helmut, Beurteiler A (intern)
  • Merle, Benoit, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Maier-Kiener, Verena, Betreuer (intern)
  • Kiener, Daniel, Mitbetreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Hochtemperatur Nanoindentation
  • plastische Verformung
  • thermisch aktivierter Prozess
  • dominierender Verformungsmechanismus
  • Refraktärmetalle
  • krz Kristallstruktur
  • Korngrenzen
  • mechanische Phasenumwandlungscharakterisierung

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