Structural instabilities in nanostructured metals

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertationForschung

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Abstract

Nanokristalline (NK) und ultrafeinkörnige (UFK) Werkstoffe erfahren reges Interesse aufgrund ihrer überlegenen Festigkeit unter statischer und zyklischer Belastung. Hochfeste Werkstoffe ermöglichen einen geringeren Materialverbrauch und fördern dadurch Leichtbaubestrebungen der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dennoch gilt es einige Hürden zu überwinden um diese Werkstoffklasse zuverlässig für technische Anwendungen zu machen. Die Neigung zur Verformung über Scherbänder während monotoner oder zyklischer Belastung verursacht den Zusammenbruch der ursprünglichen Struktur, was die Duktilität oder die Lebensdauer verschlechtert. Des Weiteren tendieren NK oder UFK Struktur zum Vergröbern während zyklischer Belastung was ihre Festigkeit heruntersetzt. Das Wissen um die zugrundeliegenden Triebkräfte und Mechanismen dieser Instabilitäten steht noch am Anfang, aber ihr Verständnis ist der Schlüssel zu ihrer Bewältigung. Mittels unterschiedlicher experimenteller Methoden konnten tiefgreifende Einblicke in beide Phänomene unter statischer und zyklischer Belastung erzielt werden. An UFK Kupfer durchgeführte zyklische Mikrobiegeversuche offenbarten strukturelle Veränderungen durch das Wachstum größerer Körner auf Kosten der benachbarten kleineren. Die kontinuierliche Migration von Großwinkelkorngrenzen konnte dabei als für das zyklische Kornwachstum zugrundeliegender Mechanismus identifiziert werden. Dieser Migrationsvorgang ist nicht nur thermisch unterstützt, wie zyklische Hochdrucktorsionsversuche unter Tieftemperaturbedingungen an UFK Nickel beweisen, bei denen eine deutliche strukturelle Vergröberung stattgefunden hat. Die Vergröberung trat unabhängig von der Verformungstemperatur verstärkt innerhalb von Scherbändern auf, somit in Bereichen von Dehnungskonzentrationen. Dies hebt die entscheidende Rolle der zyklischen Dehnung zum Auslösen der Korngrenzmigration hervor. Da der hydrostatische Druck ein Versagen der Probe verhindert, konnte der ausschließlich vom Kornwachstum stammende Anteil zur zyklischen Entfestigung erstmals quantitativ gemessen werden. Zusätzlich konnte die Kornvergröberung und die Ausbreitung der Scherbänder bis zu großen zyklischen Dehnungen untersucht werden. Somit konnte schlussgefolgert werden, dass zyklisch induziertes Kornwachstum kein dauerhafter Vorgang ist, da es bei einer bestimmten Korngröße ausklingt. Die endgültige Korngröße wird von der auferlegten Dehnungsamplitude bestimmt. Dehnungslokalisationen, die das mechanische Verhalten beeinträchtigen, treten auch unter statischer Belastung auf, was an einem perlitischen Nanoverbundwerkstoff bestehend aus einer lamellaren Anordnung von Ferrit und kohlenstoffreichem Zementit untersucht wurde. Unterschiedliche Arten der Dehnungslokalisation traten in Mikrodruckversuche auf, die von der Belastungsrichtung der Zementitlamellen abhängig sind. Senkrechte Belastung führt zum Abscheren des Zementits in Scherbandrichtung, parallele Belastung zum Knicken innerhalb eines Kinkbandes und bei einer geneigten Belastung lokalisiert die Dehnung durch intralamellare Gleitung parallel zur Zementitlamelle, ohne diese zu verformen. Nicht nur die Lamellenausrichtung sondern auch der Verformungspfad beeinflusst das Verformungsverhalten. Bei Biegung unterbindet der Dehnungsgradient die Bildung von katastrophalen Scherbändern. Diese homogene Verformung tritt auch bei zyklischer Biegung auf, wobei zusätzlich ausgeprägtes Kornwachstum durch den lamellaren Aufbau verhindert wird. Somit können strukturelle Instabilitäten für zyklisch belastete nanolamellare Strukturen vermieden werden, was deren Zuverlässigkeit während des Einsatzes verbessert.

Details

Titel in ÜbersetzungStrukturelle Instabilitäten in nanostrukturierten Metallen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pippan, Reinhard, Beurteiler A (intern)
  • Clemens, Helmut, Beurteiler B (intern)
StatusVeröffentlicht - 2017