Nanoindentation of ultra-fine grained and nanoporous Au at elevated temperatures

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit(peer-reviewed)

Organisationseinheiten

Abstract

Nanostrukturierte Materialien zeichnen sich durch ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften aus und finden dadurch Anwendung in diversen Hochleistungsbauteilen. Die auftretenden Verformungsmechanismen dieser Materialklasse sind bisher unvollständig erforscht, insbesondere gibt es kaum Daten im Hochtemperaturbereich. Um das Verformungsverhalten kubisch flächenzentrierter Materialen bei erhöhten Temperaturen zu untersuchen, empfiehlt sich Gold aufgrund seines hohen elektrochemischen Potentials und der dadurch stark reduzierten Oxidationsneigung. Der Einfluss zweier unterschiedlicher Grenzflächentypen wurde untersucht. Dazu wurde nanoporöses Gold mit hohem Oberflächen/Volumen-Verhältnis, ultra-feinkörnigem Gold (Korngröße rund 250 nm) mit hohem Korngrenzenanteil gegenübergestellt. Goldpulver wurde durch Hochdrucktorsionsverformung (HPT) zu scheibenförmigen Proben verdichtet wurde. Eine Au/Fe Pulvermischung diente als Basismaterial zur Herstellung des Goldschaumes. Nach der Konsolidierung wurde der Eisenanteil durch selektives Ätzen entfernt, wodurch eine Goldstruktur mit einer Porosität von etwa 50 % und Ligamenten mit einem Durchmesser von rund 100 nm entsteht. Durch geeignete Wärmebehandlung bzw. durch Legieren mit kleinen Anteilen von Kupfer konnten je eine grobkörnige bzw. nanokristalline Goldprobe vorbereitet werden. Die Charakterisierung der Mikrostrukturen erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskop, Elektronenrückstreubeugung und energiedispersiver Röntgenspektroskopie. Nanoindentierung stellt eine adäquate Methode zur Bestimmung fundamentaler mechanischer Kennwerte, wie Härte (H) und E-Modul, dar. Ebenso können die Dehnratenabhängigkeit m und das Aktivierungsvolumen V* aus den Relaxationsdaten während eines Haltesegments bei maximaler Last bestimmt werden. Diese Parameter geben Auskunft über dominierende Verformungsmechanismen. Versuche wurden für alle Probentypen bei Raumtemperatur (RT) durchgeführt, nanoporöses Au und ultra-feinkörniges Au wurden zusätzlich bei erhöhten Temperaturen (HT) bis 300 °C getestet. Nachträglich angefertigte Querschnitte der Indents zeigen die plastische Verformung generell und im Fall des porösen Materials die Verdichtung unter der Indenterspitze. Die berechnete Fließgrenze der Ligamente des Schaumes bei Raumtemperatur liegt mit 1.6 GPa nahe der theoretischen Festigkeit von Gold. Nach Hochtemperaturmessungen wurde ein Niederschlag auf den Probenoberflächen beobachtet, welcher sich vermutlich durch thermische Instabilität des Versuchsaufbaus gebildet hat. Nichtsdestotrotz liefern die Messungen aussagekräftige Ergebnisse und zeigen einen zu erwartenden Abfall der Härte bei erhöhten Temperaturen. Das ultra-feinkörnige Gold übersteigt die Härte seines grobkörnigen Gegenstückes deutlich. Eine massive Reduzierung der Härte bei steigender Temperatur ist beobachtbar, bei 300 °C entspricht H nur mehr 15 % des RT Wertes, der bei 1.6 GPa liegt. Beide nanostrukturierten Materialien weisen im gesamten getesteten Temperaturbereich eine signifikante Dehnratenabhängigkeit auf (m > 0.03), verbunden mit niedrigem Aktivierungsvolumen (<75 b³). Dies lässt vermuten, dass Grenzflächen/Versetzungs-Wechselwirkungen den Verformungsprozess dominieren. Offensichtlich spielt der Typ der Grenzfläche nur eine untergeordnete Rolle, wohingegen die Strukturgröße einen entscheidenden Einfluss auf Eigenschaften des Materials nimmt. Im Gegensatz dazu weist das grobkörnige Gold bereits bei RT ein hohes Aktivierungsvolumen (> 100 b³) auf, welches mit dem Schneiden von Waldversetzungen assoziiert wird. Die Arbeit zeigt den Einfluss von Parametern, wie Grenzflächentyp und Strukturgröße auf die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten in ultra-feinkörnigem und nanoporösem kubisch flächenzentrierten Metallen. Dadurch kann wesentlich zu einem besseren Verständnis des mechanischen Verhaltens dieser recht jungen Materialklasse beigetragen werden.

Details

Titel in ÜbersetzungHochtemperatur Nanoindentierung von ultrafeinkörnigem und nanoporösem Au
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung19 Dez. 2014
StatusVeröffentlicht - 2014