Advanced Nanoindentation Techniques for the Extraction of Material Flow Curves

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Abstract

Seit Jahrzehnten suchen Materialwissenschafter nach einer effizienten Testmethode zur umfangreichen mechanischen Charakterisierung von Werkstoffen auf kleinster Ebene, anwendbar für einen breiten Temperaturbereich. Nanoindentierung hat das Potential diesen Anforderungen gerecht zu werden, multiaxiale Spannungs- und Dehnungszustände während der Prüfung erschweren aber den direkten Vergleich zu uniaxialen Tests. Am Beispiel von nanoporösem Gold wird anfänglich gezeigt, dass moderne Nanoindentierungsmethoden die Bestimmung von thermo-mechanischen Eigenschaften auf Proben im Labormaßstab ermöglicht. Der untersuchte Schaum zeigt dabei eine durch Glühen verursachte Aufhärtung und weist Grenzflächen/Versetzungswechselwirkungen als dominierenden Verformungsmechanismus auf. Immer öfter kommen dynamische Indentierungsmethoden zum Einsatz, die einerseits die Datendichte erhöhen, andererseits aber zu abweichenden Härtewerten im Vergleich zu statischen Prüfprotokollen aufweisen können. Dieser Unterschied konnte im Zuge dieser Arbeit mit dem Haltesegment bei Maximalkraft in statischen Tests in Verbindung gebracht werden. Die drastische Verringerung der Dehnrate äußert sich bei ratensensitiven Materialen durch eine sinkende Härte. Der mittlere Fehler konnte durch die Einführung eines physikalischen Modells auf durchschnittlich 2.5% reduziert werden. Unter Rücksichtnahme dieses Effekts und durch Verwendung von Indenterspitzen mit verschiedenen Öffnungswinkeln können dehnungsabhängige Charakteristiken von Materialien ermittelt werden. Untersuchungen auf W und Ni Proben mit verschiedenen Mikrostrukturen erlaubten die Bestimmung von Hall-Petch Parametern. Nach Berücksichtigung von Größeneffekten und einer Umrechnung von Härte zu mechanischer Spannung können letztendlich Fließkurven der untersuchten Materialien gewonnen werden. Zur Erhöhung der lokalen Auflösung werden Indenterspitzen mit sphärischer und damit nicht-selbstähnlicher Geometrie verwendet. Die Herstellung solcher Spitzen ist problematisch, daher muss eine präzise Kalibrierung sichergestellt werden. Innerhalb dieser Arbeit wurde eine neue Kalibrierungsmethode entwickelt, die in Kombination mit Versuchen bei konstanten Dehnraten den Grundstein für die Ermittlung eines material- und dehnungsabhängigen Umrechnungsfaktors zwischen Härte und Spannung ermöglicht. Nach Anwendung der erwähnten Verbesserungen konnten Fließkurven von kubisch-flächenzentrierten (Cu, Ni) und kubisch-raumzentrierten (Cr, W) Metallen gemessen werden, die durch Mikrodruckversuche derselben Proben verifiziert wurden. Die vorliegende Arbeit trägt wesentlich dazu bei, bestehende Testprotokolle zu erweitern, um einen wichtigen Schritt in Richtung Implementierung von Nanoindentierung als Standardmethode zur Bestimmung von Fließkurven zu setzen.

Details

Titel in ÜbersetzungInnovative nanomechanische Methoden zur Bestimmung der Fließkurven von Hochleistungswerkstoffen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in(nen)/Berater/-in
  • Durst, Karsten, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Kiener, Daniel, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2018