Lokale Bestimmung des Korngrenzenwiderstandes gegen 3D-Stadium-I-Rissausbreitung: Verknüpfung von Spannungs- und Geometriekonzept - Modellerweiterung und Validierung der Ergebnisse

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Michael Marx; Professor Dr. Christian Motz
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245070991

Die Wechselwirkung von Versetzungen mit Korngrenzen bestimmt wesentlich die mechanische Antwort eines Materials auf plastische Verformung. Gleichzeitig beeinflusst das Gleittransferverhalten der Korngrenze die Lebensdauer eines Werkstoffes bei Ermüdung maßgeblich und ist bislang nur in Ansätzen verstanden. Für eine verbesserte Lebensdauerabschätzung sind daher experimentell geprüfte und quantifizierte Modelle für den Gleittransfer über Korngrenzen als zentrale Hindernisse in der Phase der Rissinitiierung und des frühen aber lebensdauerbestimmenden Kurzrisswachstums unabdingbar. Es bedarf der genauen Kenntnis der Wechselwirkung von Versetzungen und Rissen, insbesondere mikrostrukturell kurzer Risse, mit der lokalen Mikrostruktur. In den vergangenen Jahren wurden viele Erkenntnisse im Bereich der Simulation und Modellierung gewonnen. Aufgrund der Komplexität mangelt es jedoch an der experimentellen Bestätigung sowie der Ermittlung notwendiger Inputparameter für weitere Simulationen und Lebensdauer-abschätzungsmodelle. Diesem Ziel widmet sich dieses Projekt.Im ersten Förderabschnitt wurde eine Messstrategie für die lokale Spannungskonzentration an der Korngrenze erarbeitet wodurch die Durchtrittsspannung für Gleittransfer messbar wird. Kurze Stadium-I-Ermüdungsrisse wurden an FIB-Kerben in einer polykristallinen Modifikation der Nickelbasissuperlegierung CMSX-4 in Korngrenzennähe initiiert und deren Ausbreitungsverhalten, insbesondere die Wechselwirkung der Risse und deren plastischer Zone mit ausgewählten Korngrenzen, durch eine Kombination von insitu-Experimenten im AFM, im Lichtmikroskop und REM untersucht. Damit wurden gängige, auf Gleitsystemkompatibilität basierende Geometriekonzepte dahingehend geprüft, inwieweit sie die tatsächliche Widerstandswirkung der Korngrenze beschreiben. Basierend auf diesen geometrischen Betrachtungen wurde das STRoNG-Konzept (Slip Transfer Resistance of Neighboring Grains) entwickelt.Ziel der Fortsetzung ist es, einen funktionalen Zusammenhang zwischen validiert quantifiziertem Korngrenzenwiderstand und der Gleitsystem- und Korngrenzengeometrie zu ermitteln, also eine Verknüpfung von Geometrie und Spannungskonzept. Zu einem geschlossenen Konzept fehlen noch der Einfluss von Verfestigung und die Berücksichtigung von Anisotropieeffekten. Dazu werden im zweiten Förderabschnitt die Ergebnisse aus dem ersten Teil an einer kaltverfestigenden binären Aluminium-Lithium-Legierung als Vergleichsmaterial überprüft. Insitu-Experimente an CMSX-4-Mikroproben werden schließlich die bisherige Methodik bezüglich Anisotropie ausbauen. Beides zusammen erweitert das bisherige STRoNG Konzept für technisches und allgemeines Materialverhalten zum (eXtended) X-STRoNG-Konzept als quantifiziertes und überprüftes Vorhersagekonzept für den Gleittransferwiderstand einer Korngrenze. Weiterhin wird der Einfluss von Korngrenzenausscheidungen auf das Gleittransferverhalten als Möglichkeit des Grain Boundary Engineerings untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen