High temperature mechanical testing of novel Cu-Nb nanocomposites

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Organisationseinheiten

Abstract

Im Allgemeinen sind Verbundmaterialien vielversprechende Werkstoffe für zukünftige Anwendungen in diversen Bereichen, angefangen von der Medizin-, bis hin zur Energietechnologie. Darüber hinaus ist bekannt, dass eine Verringerung der Strukturgröße eines Werkstoffes in den nanokristallinen (nk) bzw. ultrafeinkörnigen (ufk) Bereich zum Beispiel eine Erhöhung der Härte oder eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften mit sich bringt. Demzufolge ist es ersichtlich, dass ein Verbundwerkstoff mit einer Mikrostruktur im nk oder ufk Bereich herausragende Eigenschaften besitzen sollte. In bisherigen Untersuchungen wurde gezeigt, dass kubisch raumzentrierte (krz) – kubisch flächenzentrierte (kfz) Verbunde im Nanometerbereich herausragende Eigenschaften über ein großes Spektrum besitzen. Einer dieser Werkstoffe ist ein Nanoverbundwerkstoff bestehend aus dem kfz Element Kupfer (Cu) und dem krz Element Niob (Nb). Cu-Nb Mehrlagensysteme weisen zum Beispiel eine hohe thermische Stabilität sowie eine hohe Bestrahlungsresistenz auf, wodurch dieser Verbundwerkstoff für die zukünftige Verwendung in nuklearen Reaktoren interessant ist. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erzeugung eines nanokristallinen Cu-Nb Verbundes für Anwendungen bei höheren Temperaturen und Umgebungen mit hohen Strahlungsbelastungen. Der Verbundwerkstoff wird mittels Hochverformung hergestellt, wobei ein zweistufiger Hochdrucktorsionsprozess angewandt wird, um ein ultrafeinkörniges Material zu erhalten. Das Gefüge wurde im Rasterelektronenmikroskop untersucht, wobei eine Korngröße von ungefähr 100 bis 200 nm ersichtlich war. Nach ersten Mikrohärtemessungen bei Raumtemperatur wurden die mechanischen Eigenschaften als Funktion der Temperatur mittels Nanoindentierung bis zu einer maximalen Temperatur von 500°C bestimmt. Der Fokus wurde auf grundlegende elastische und plastische Eigenschaften – Elastizitätsmodul und Härte – als Funktion der Temperatur gelegt, um die maximale Einsatztemperatur des Verbundwerkstoffes abschätzen zu können. Mit einer Härte von 5,33 GPa bei Raumtemperatur zeigt der Verbund höhere Festigkeiten als vergleichbare Verbunde, reines Cu, oder reines Nb. Darüber hinaus wurden dehnratenabhängige Werkstoffparameter – Dehnratenempfindlichkeit und Aktvierungsvolumen – ermittelt, um Aussagen über den dominierenden Verformungsmechanismus tätigen zu können und tiefgründige Einblicke in das Materialverhalten zu erlangen. Abschließend wurde die Aktivierungsenergie der plastischen Verformung evaluiert. Das Verformungsverhalten ist kontrolliert durch eine Versetzungsinteraktion mit Subkörnern und Korngrenzen. Mit höherer Temperatur steigt die Dehnratenempfindlichkeit auf ihren maximalen Wert von 0,106 bei 400°C, was auf thermisch aktivierte Versetzungswechselwirkungen in einem bimodalen Gefüge schließen lässt. Dieser Anstieg ist gefolgt von einem Abfall auf 0,069 bei der maximalen Versuchstemperatur von 500°C, verursacht durch eine Vergröberung des Gefüges bei Überschreitung der thermischen Stabilität des Verbundwerkstoffes. Diese Ergebnisse wurden durch die temperaturabhängigen Änderungen der Härte, des Aktivierungsvolumens, sowie der Aktivierungsenergie bestätigt.

Details

Titel in ÜbersetzungMechanische Hochtemperaturversuche an neuartigen Cu-Nb Nanoverbundwerkstoffen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung13 Dez. 2013
StatusVeröffentlicht - 2013