Micro-mechanical approach to assess the strength of nanocrystalline tungsten-copper composites

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Die Fortschritte in der Fusionsreaktorforschung und der verstärkte Trend in der Luft- und Raumfahrt erfordern Materialien, die rauen Umgebungen standhalten können. Dabei ist Wolfram häufig das Material der Wahl für Komponenten die mit dem Fusionsplasma in Kontakt stehen und für Bauteile die eine hohe Temperaturresistenz aufweisen müssen. Die Herstellung von reinem Wolfram ist jedoch schwierig und kostspielig. Daher werden häufig Verbundwerkstoffe auf Wolframbasis verwendet. Als sekundäre Phase bietet sich Kupfer, durch seine ausgezeichnete Duktilität, an. Allerdings ist die Festigkeit des Verbundwerkstoffes Wolfram-Kupfer geringer im Vergleich zu reinem Wolfram. Durch Kornfeinung lässt sich allerdings die Festigkeit des Werkstoffs unter Beibehaltung der Duktilität erhöhen. In dieser Arbeit wurden Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffe mit 80 gew.% Wolfram untersucht und durch Hochverformung die Korngröße in den nanokristallinen Bereich reduziert. Um die Kupferphase weiter zu verstärken, wurde sie mit 10 Gew.% Zink legiert, um so auch die Neigung zur Zwillingsbildung zu erhöhen. Als Ausgangsmaterial für die Kornverfeinung wurde entweder ein Komposit hergestellt durch Flüssigphasensintern oder ein verpresster Grünkörper hergestellt aus elementaren Pulvern verwendet. Für letzteres wurde ebenfalls Hochverformung zur Verdichtung angewandt. Um verschiedene Korngrößen im nanokristallinen Bereich einzustellen, wurde die Verformungstemperatur zwischen RT und 550°C variiert. Dabei wurde ein inverses Hall-Petch-Verhalten für die Korngrößen 9 nm und 11 nm beobachtet. Um das Bruchverhalten zu prüfen, wurden aus den verfeinerten Proben mikroskopisch kleine Biegebalken hergestellt. Durch Variation des Querschnitts der Balken wurde der Einfluss der Probengröße auf das Bruchverhalten analysiert. Dabei nahm unterhalb eines Querschnitts von (10 x 10) ¿m2 die Bruchzähigkeit ab. Darüber hinaus zeigten die bruchmechanischen Experimente eine abnehmende Bruchzähigkeit mit zunehmender Korngröße für die bei RT und 400°C verformten Proben. Im Gegensatz dazu wies die 550°C Probe eine leichte Erhöhung der Bruchzähigkeit auf. Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche Änderung des vorherrschenden Verformungsmechanismus hin, von einem durch Korngrenzengleiten dominierten zu einem auf Versetzungen basierenden Mechanismus mit zunehmender Korngröße. Neben der mechanischen Analyse bieten die in situ aufgenommenen Bilder die zusätzliche Möglichkeit, Bruchcharakteristiken aus den Bildern zu bestimmen, wie z. B. die Risslänge, die Verschiebung der Rissöffnung und den Rissöffnungswinkel an der Rissspitze. Dabei ist die Risslänge für die bruchmechanische Auswertung maßgeblich. Für die Extraktion dieses Bruchcharakteristika wurde ein Protokoll entwickelt, das auf manuell definierten Filtersätzen basiert und eine halbautomatische Auswertung ermöglicht. Dieser Prototyp wurde erweitert durch die Anpassung des Klassifizierungsprozesses, um die Verschiebung der Rissöffnung und den Rissöffnungswinkel an der Rissspitze zu bestimmen. Diese Routine ermöglicht hochaufgelöste Rissanalyse mit bisher ungesehener Präzision, welche durch manuelle Messungen verifiziert wurde. In Kombination mit den mechanischen Daten erlauben die zusätzlich ausgewerteten Bruchcharakteristiken einen detaillierten Einblick in Versagensprozesse nanostrukturierter Komposite für harsche Bedingungen auf kleinen Längenskalen.

Details

Titel in ÜbersetzungMikromechanischer Ansatz zur Bewertung der Festigkeit von nanokristallinen Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffen
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Bermejo, Raul, Mitbetreuer (intern)
  • Sebastiani, Marco, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Kiener, Daniel, Betreuer (intern)
  • Hosemann, Peter, Beurteiler B (extern), Externe Person
StatusVeröffentlicht - 1800