Fracture behavior of tungsten based materials

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Wolfram und auf Wolfram basierende Werkstoffe sollen in neuralgischen Bereichen von Kernfusionsreaktoren eingesetzt werden. Einer der Nachteile, den man aufgrund dieser Werkstoffwahl zu berücksichtigen hat, ist die Sprödigkeit des Materials bei „tiefen“ Temperaturen, unterhalb von einigen hundert Grad Celsius. Eine Verschiebung des spröd-duktil Übergangs zu tieferen Temperaturen und eine generelle Erhöhung der Zähigkeit würden maßgeblich zu einem erfolgreichen Einsatz dieser Werkstoffe in Fusionsreaktoren beitragen. Dafür ist es aber notwendig, jene Mechanismen zu kennen und zu verstehen, die das Verformungs- und vor allem das Bruchverhalten bestimmen. Eine Steigerung der Bruchzähigkeit wurde durch das Hinzulegieren von Rhenium und durch mikrostrukturelle Veränderungen erzielt. Da Rhenium, das bisher einzig bekannte Legierungselement, welches eine maßgebliche Duktilitäts- und Zähigkeitssteigerung hervorruft, sehr selten und teuer ist, scheint bis jetzt die gezielte Veränderung der Mikrostruktur der einzig gangbare Weg zu sein, bruchzähes Material in entsprechender Menge herzustellen. Im Falle der vorliegenden Arbeit wurde zur Herstellung und Verformung unterschiedlicher, auf Wolfram basierender Materialien die Methode der Hochverformung eingesetzt. Durch Bruchversuche an ultrafeinkörnigen Verbundwerkstoffen bestehend aus Wolfram-Vanadium und Wolfram-Tantal wurde die Erhöhung der Bruchzähigkeit in zwei von drei Testrichtungen nachgewiesen. Eine “allseitige” Erhöhung der Bruchzähigkeit scheint durch mikrostrukturelles Design nicht oder nur in relativ geringen Maße möglich zu sein. Um nun die Einflüsse einzelner Gefügebestandteile, wie Korngrenzen, Poren und Ausscheidungen, auf das Bruchverhalten im Detail und gesondert voneinander untersuchen zu können, wurden Bruchexperimente an mikrometergroßer Proben – vor allem gekerbten Biegebalken – weiterentwickelt. Ein „Ionen-Slicer“, normalerweise verwendet um Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie zu präparieren, stellt hierbei einen wichtigen Zwischenschritt dar, um die Herstellungszeit der Proben mittels fokussiertem Gallium-Ionen Strahl zu minimieren. Um einerseits die während des Bruches ablaufenden Prozesse zu identifizieren und zu verstehen und andererseits die durch die veränderte Probengeometrie notwendigen Adaptionen der Auswertungen der Experimente zu erarbeiten, wurde einkristallines Wolfram in sprödester Orientierung als Modellmaterial gewählt. Linear elastische Bruchmechanik ist wegen der großen plastischen Zone in Relation zur sehr kleinen Probengröße nicht anwendbar, elastisch-plastische Bruchmechanik wurde daher herangezogen. Dadurch konnte die Bruchzähigkeit von einkristallinem Wolfram mittels Proben von einigen Mikrometern Größe bestimmt und eine experimentelle Basis für das bessere Verständnis des Rissfortschrittes in Wolfram geschaffen werden.

Details

Titel in ÜbersetzungBruchverhalten auf Wolfram basierender Werkstoffe
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2011