TY - THES

T1 - Ermüdungseigenschaften und Mikrostrukturevolution von mikro- und nanokristallinen Mikrobiegeproben

AU - Kremmer, Thomas

N1 - gesperrt bis null

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Durch die verbesserte Festigkeit von ultrafeinkörnigen Werkstoffen im monotonen Zugversuch im Vergleich zu Werkstoffen mit konventioneller Korngröße, besteht das Bestreben diese Werkstoffe in technischen Anwendungen zu verwenden. Zum Beispiel im Bereich der Medizintechnik und bei der superplastischen Umformung bieten diese Werkstoffe viele Vorteile. Da Bauteile oft unter zyklischer Beanspruchung stehen, spielen nicht nur die statischen mechanischen Eigenschaften eine Rolle, sondern vor allem auch die Ermüdungseigenschaften. Als eine der aussichtsreichsten Methoden um ultrafeinkörnige Werkstoffe in „bulk“-Form herzustellen gilt die Hochverformung. Durch diese Herstellungsmethoden wird eine hohe Anzahl an Defekten (Versetzungen, Korngrenzen) eingebracht und eine Mikrostruktur fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht entsteht. Während des Einsatzes in technischen Anwendungen sind diese Werkstoffe anfälliger gegenüber Änderungen der Mikrostruktur. Zum Beispiel wurde unter zyklischer Belastung selbst bei Raumtemperatur von mehreren Arbeitsgruppen Kornwachstum beobachtet. Da das Gefüge die Gebrauchseigenschaften und die Zuverlässigkeit des Bauteils maßgeblich bestimmen, ist es notwendig Informationen über das Ermüdungsverhalten dieser Werkstoffe zu besitzen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die Ermüdungseigenschaften und die Schädigungsentwicklung vom Modellwerkstoff OFHC-Kupfer untersucht. Aus einer OFHC-Kupfer-Scheibe, mittels HPT (engl. high pressure torsion) hergestellt, wurden unter Einsatz eines FIB (engl. focused ion beam) Mikrobiegebalken mit einer Dicke von 5 µm gefertigt. Die Belastung der Mikrobiegebalken erfolgte in-situ im Rasterelektronenmikroskop mit einem Indenter-System der Firma ASMEC. Da die gesamte Probenoberfläche in den Bildausschnitt des Rasterelektronenmikroskops passt, können nicht nur einzelne Bereiche sondern die gesamte Probe genau untersucht werden. Dadurch ist es ist möglich den Schädigungsbeginn genauer festzustellen. Die Experimente wurden weggesteuert durchgeführt und ein sinusförmiges Weg-Zeit-Signal vorgegeben. Mehrere Experimente bei verschiedenen plastischen Dehnungsamplituden im Kurzzeitermüdungs-Bereich (LCF, engl. low cycle fatigue) wurden durchgeführt. Je nach Probe wurden zwischen 80 und 10000 Lastwechsel aufgebracht. Mit Hilfe der Experimente wurden die mechanischen Ermüdungseigenschaften untersucht und in regelmäßigen Abständen die Schädigungsentwicklung der Proben aufgezeichnet. Ein weiteres Augenmerk wurde auf die Stabilität der Mikrostruktur während der Belastung gelegt, welche in der Literatur mehrfach an makroskopischen Proben untersucht wurde. Während der Experimente konnte festgestellt werden, dass es auch bei kleineren plastischen Dehnungsamplituden an geometrischen Übergängen und in ausgewählten Körnern schnell zu Kornwachstum kommt. In den gewachsenen Körnern konnten feine Gleitstufen gefunden werden. Die Körner werden während der Belastung aus der Oberfläche herausgedrückt und an den Korngrenzen bilden sich Vertiefungen, die einem Anriss gleichkommen. Bei höheren plastischen Dehnungsamplituden wurden Indizien gefunden, die auf interkristallines Risswachstum hinweisen. Zusätzlich wurde die Mikrostruktur vor und nach den Versuchen mittels EBSD (engl. electron backscatterd diffraction) untersucht, um Information über die Orientierung und gegebenenfalls Textur der gewachsenen Körner zu erhalten. Durch die geringe Anzahl von Körnern konnten in diesem Bereich nur qualitative Aussagen getroffen werden. Weitere Experimente sind notwendig, um die Erkenntnisse über das Verhalten von ultrafeinkörnigen Werkstoffen während Ermüdungsbelastung zu vertiefen. Ob sich die mechanischen Eigenschaften beziehungsweise das Schädigungsbild der Proben bei Verkleinerung der Probengeometrie, ähnlich wie bei einkristallinen Proben, ändern muss noch geklärt werden.

AB - Durch die verbesserte Festigkeit von ultrafeinkörnigen Werkstoffen im monotonen Zugversuch im Vergleich zu Werkstoffen mit konventioneller Korngröße, besteht das Bestreben diese Werkstoffe in technischen Anwendungen zu verwenden. Zum Beispiel im Bereich der Medizintechnik und bei der superplastischen Umformung bieten diese Werkstoffe viele Vorteile. Da Bauteile oft unter zyklischer Beanspruchung stehen, spielen nicht nur die statischen mechanischen Eigenschaften eine Rolle, sondern vor allem auch die Ermüdungseigenschaften. Als eine der aussichtsreichsten Methoden um ultrafeinkörnige Werkstoffe in „bulk“-Form herzustellen gilt die Hochverformung. Durch diese Herstellungsmethoden wird eine hohe Anzahl an Defekten (Versetzungen, Korngrenzen) eingebracht und eine Mikrostruktur fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht entsteht. Während des Einsatzes in technischen Anwendungen sind diese Werkstoffe anfälliger gegenüber Änderungen der Mikrostruktur. Zum Beispiel wurde unter zyklischer Belastung selbst bei Raumtemperatur von mehreren Arbeitsgruppen Kornwachstum beobachtet. Da das Gefüge die Gebrauchseigenschaften und die Zuverlässigkeit des Bauteils maßgeblich bestimmen, ist es notwendig Informationen über das Ermüdungsverhalten dieser Werkstoffe zu besitzen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die Ermüdungseigenschaften und die Schädigungsentwicklung vom Modellwerkstoff OFHC-Kupfer untersucht. Aus einer OFHC-Kupfer-Scheibe, mittels HPT (engl. high pressure torsion) hergestellt, wurden unter Einsatz eines FIB (engl. focused ion beam) Mikrobiegebalken mit einer Dicke von 5 µm gefertigt. Die Belastung der Mikrobiegebalken erfolgte in-situ im Rasterelektronenmikroskop mit einem Indenter-System der Firma ASMEC. Da die gesamte Probenoberfläche in den Bildausschnitt des Rasterelektronenmikroskops passt, können nicht nur einzelne Bereiche sondern die gesamte Probe genau untersucht werden. Dadurch ist es ist möglich den Schädigungsbeginn genauer festzustellen. Die Experimente wurden weggesteuert durchgeführt und ein sinusförmiges Weg-Zeit-Signal vorgegeben. Mehrere Experimente bei verschiedenen plastischen Dehnungsamplituden im Kurzzeitermüdungs-Bereich (LCF, engl. low cycle fatigue) wurden durchgeführt. Je nach Probe wurden zwischen 80 und 10000 Lastwechsel aufgebracht. Mit Hilfe der Experimente wurden die mechanischen Ermüdungseigenschaften untersucht und in regelmäßigen Abständen die Schädigungsentwicklung der Proben aufgezeichnet. Ein weiteres Augenmerk wurde auf die Stabilität der Mikrostruktur während der Belastung gelegt, welche in der Literatur mehrfach an makroskopischen Proben untersucht wurde. Während der Experimente konnte festgestellt werden, dass es auch bei kleineren plastischen Dehnungsamplituden an geometrischen Übergängen und in ausgewählten Körnern schnell zu Kornwachstum kommt. In den gewachsenen Körnern konnten feine Gleitstufen gefunden werden. Die Körner werden während der Belastung aus der Oberfläche herausgedrückt und an den Korngrenzen bilden sich Vertiefungen, die einem Anriss gleichkommen. Bei höheren plastischen Dehnungsamplituden wurden Indizien gefunden, die auf interkristallines Risswachstum hinweisen. Zusätzlich wurde die Mikrostruktur vor und nach den Versuchen mittels EBSD (engl. electron backscatterd diffraction) untersucht, um Information über die Orientierung und gegebenenfalls Textur der gewachsenen Körner zu erhalten. Durch die geringe Anzahl von Körnern konnten in diesem Bereich nur qualitative Aussagen getroffen werden. Weitere Experimente sind notwendig, um die Erkenntnisse über das Verhalten von ultrafeinkörnigen Werkstoffen während Ermüdungsbelastung zu vertiefen. Ob sich die mechanischen Eigenschaften beziehungsweise das Schädigungsbild der Proben bei Verkleinerung der Probengeometrie, ähnlich wie bei einkristallinen Proben, ändern muss noch geklärt werden.

KW - Hochverformung

KW - ultrafeinkörnig

KW - OFHC-Kupfer

KW - Mikromechanik

KW - Ermüdung

KW - Gefügeänderung

KW - Kornwachstum

KW - in-situ

KW - ultra-fine-grained

KW - severe plastic deformation

KW - high pressure torsion

KW - OFHC-copper

KW - micromechanics

KW - fatigue

KW - microstructural evolution

KW - grain growth

KW - in-situ

KW - microbending

M3 - Diplomarbeit

ER -