TY - THES

T1 - Zyklische Plastizität an Mikrobiegeproben

AU - Liegl, Wolfgang

N1 - gesperrt bis null

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Durch das stetig fortsetzende Verkleinern von Bauteilen in verschiedensten Anwendungsgebieten wuchs das Interesse am Verhalten von Materialien bei plastischer Verformung im Mikrometer- und Submikrometerbereich. Um mechanisches Verhalten zu untersuchen, wurden viele Untersuchungsmethoden entwickelt, die wiederum zu einem besseren Verständnis der vorherrschenden Mechanismen bei monotoner Belastung in solchen kleinen Dimensionen führten. Jedoch ist auch die Kenntnis über die Eigenschaften bei zyklischer Last von großer Bedeutung. Im makroskopischen Längenbereich wurden sehr viele Untersuchungen des zyklischen Verhaltens von unterschiedlichster Materialien durchgeführt, jedoch im Mikrometerbereich ist nur sehr wenig bekannt, außer im Bereich der thermo-mechanischen Ermüdung von dünnen Schichten. Um ein besseres Verständnis in Bezug auf die Ermüdungsmechanismen und Größenabhängigkeit der Ermüdungslebensdauer von Proben mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu erlangen, wurden in-situ Ermüdungsversuche im Rasterelektronenmikroskop (REM)durchgeführt. Aus elektrochemisch geätzten einkristallinen Kupferbalken, mit Einfachgleitung-Orientierung, wurde unter zur Hilfenahme einer „Focused Ion Beam“-Arbeitsplattform Biegebalken präpariert. Die Abmessung der Grobform der Balken war 10x10x50 µm³. Im letzten Präparationsschritt wurde durch das Abtragen mit dem Ionenstrahl ein verjüngter Bereich mit 2 beziehungsweise 8µm in Dickenrichtung erreicht. In beiden Fällen wurde ein Aspektverhältnis von 1x2x1.25 verwendet. Die Ermüdungsversuche wurden in-situ in einem Rasterelektronenmikroskop mit einem Mikroindenter, der weggesteuert betrieben wurde, durchgeführt. Der Weg wurde sinusförmig vorgegeben, dadurch wurde ein Spannungsverhältnis von R = -1 erreicht. „Low Cycle Fatigue“ Experimente mit bis zu 14000 Lastwechsel und verschiedenen plastischen Dehnungsamplituden wurden durchgeführt. Außerdem wurde die Entwicklung der Oberflächenschädigung mit dem REM untersucht. Zusätzlich wurden mit dem „Focused Ion Beam“ aus den ermüdeten Proben Lamellen für eine Untersuchung mit dem Transmissionselektronenmikroskop hergestellt, um einen Einblick in die entwickelte Mikrostruktur zu erlangen. Die größeren Proben zeigen eine zellenförmige Struktur an der Oberfläche (Randfaser des Biegebalkens). Jedoch tritt diese Art von Schädigung erst ab einen gewissen Schwellenwert in der plastischen Dehnungsamplitude auf. Wenn die Amplitude unter diesem Schwellenwert liegt, kommt es nur zur Ausbildung von feinen gleich verteilten Gleitstufen. Selbst nach größerer Zyklenzahl zeigt sich keine ausgeprägte Oberflächenschädigung. Bei gleicher Belastungsart, gleicher Lastspielzahl und Dehnungsamplitude, treten an der Oberfläche der 2µm Probe keine zellenförmige Strukturen auf, dies lässt auf eine Größenabhängigkeit in der Versetzungsstrukturbildung schließen. Die Untersuchungen der Oberfläche wurde durch TEM Untersuchungen an Lamellen aus dem Inneren der Probe vervollständigt, um die Versetzungsstruktur zu analysieren. Diese zeigt, ebenfalls eine zellenförmige Versetzungsstruktur bei hoher plastischer Amplitude, jedoch keine Versetzungsstruktur bei niedriger Amplitude der 8µm Proben. Das Fehlen der Struktur der 2µm Probe bestätigt die Beobachtungen mit dem REM. Die Ergebnisse zeigen größenabhängiges Werkstoffverhalten bei zyklischer Belastung, welches insbesondere durch unterschiedliche Versetzungsstrukturen charakterisiert ist. Für eine Quantifizierung des größenabhängigen Verhalten im LCF Bereich sind noch Folgeuntersuchungen notwendig.

AB - Durch das stetig fortsetzende Verkleinern von Bauteilen in verschiedensten Anwendungsgebieten wuchs das Interesse am Verhalten von Materialien bei plastischer Verformung im Mikrometer- und Submikrometerbereich. Um mechanisches Verhalten zu untersuchen, wurden viele Untersuchungsmethoden entwickelt, die wiederum zu einem besseren Verständnis der vorherrschenden Mechanismen bei monotoner Belastung in solchen kleinen Dimensionen führten. Jedoch ist auch die Kenntnis über die Eigenschaften bei zyklischer Last von großer Bedeutung. Im makroskopischen Längenbereich wurden sehr viele Untersuchungen des zyklischen Verhaltens von unterschiedlichster Materialien durchgeführt, jedoch im Mikrometerbereich ist nur sehr wenig bekannt, außer im Bereich der thermo-mechanischen Ermüdung von dünnen Schichten. Um ein besseres Verständnis in Bezug auf die Ermüdungsmechanismen und Größenabhängigkeit der Ermüdungslebensdauer von Proben mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu erlangen, wurden in-situ Ermüdungsversuche im Rasterelektronenmikroskop (REM)durchgeführt. Aus elektrochemisch geätzten einkristallinen Kupferbalken, mit Einfachgleitung-Orientierung, wurde unter zur Hilfenahme einer „Focused Ion Beam“-Arbeitsplattform Biegebalken präpariert. Die Abmessung der Grobform der Balken war 10x10x50 µm³. Im letzten Präparationsschritt wurde durch das Abtragen mit dem Ionenstrahl ein verjüngter Bereich mit 2 beziehungsweise 8µm in Dickenrichtung erreicht. In beiden Fällen wurde ein Aspektverhältnis von 1x2x1.25 verwendet. Die Ermüdungsversuche wurden in-situ in einem Rasterelektronenmikroskop mit einem Mikroindenter, der weggesteuert betrieben wurde, durchgeführt. Der Weg wurde sinusförmig vorgegeben, dadurch wurde ein Spannungsverhältnis von R = -1 erreicht. „Low Cycle Fatigue“ Experimente mit bis zu 14000 Lastwechsel und verschiedenen plastischen Dehnungsamplituden wurden durchgeführt. Außerdem wurde die Entwicklung der Oberflächenschädigung mit dem REM untersucht. Zusätzlich wurden mit dem „Focused Ion Beam“ aus den ermüdeten Proben Lamellen für eine Untersuchung mit dem Transmissionselektronenmikroskop hergestellt, um einen Einblick in die entwickelte Mikrostruktur zu erlangen. Die größeren Proben zeigen eine zellenförmige Struktur an der Oberfläche (Randfaser des Biegebalkens). Jedoch tritt diese Art von Schädigung erst ab einen gewissen Schwellenwert in der plastischen Dehnungsamplitude auf. Wenn die Amplitude unter diesem Schwellenwert liegt, kommt es nur zur Ausbildung von feinen gleich verteilten Gleitstufen. Selbst nach größerer Zyklenzahl zeigt sich keine ausgeprägte Oberflächenschädigung. Bei gleicher Belastungsart, gleicher Lastspielzahl und Dehnungsamplitude, treten an der Oberfläche der 2µm Probe keine zellenförmige Strukturen auf, dies lässt auf eine Größenabhängigkeit in der Versetzungsstrukturbildung schließen. Die Untersuchungen der Oberfläche wurde durch TEM Untersuchungen an Lamellen aus dem Inneren der Probe vervollständigt, um die Versetzungsstruktur zu analysieren. Diese zeigt, ebenfalls eine zellenförmige Versetzungsstruktur bei hoher plastischer Amplitude, jedoch keine Versetzungsstruktur bei niedriger Amplitude der 8µm Proben. Das Fehlen der Struktur der 2µm Probe bestätigt die Beobachtungen mit dem REM. Die Ergebnisse zeigen größenabhängiges Werkstoffverhalten bei zyklischer Belastung, welches insbesondere durch unterschiedliche Versetzungsstrukturen charakterisiert ist. Für eine Quantifizierung des größenabhängigen Verhalten im LCF Bereich sind noch Folgeuntersuchungen notwendig.

KW - LCF

KW - Cu

KW - Mikromechanik

KW - LCF

KW - Cu

KW - micromechanic

M3 - Diplomarbeit

ER -