Entwicklung der Ermüdungsschädigung in Mikroproben: Einfluss von Probengröße und Korngrenzen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Motz
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270913401

Ermüdung gilt als eine der wesentlichen Schädigungsursachen vieler metallischer Komponenten und Produkte, was deren Nachhaltigkeit negativ beeinflusst. Die fortschreitende Miniaturisierung in vielen Bereichen moderner Technologien, z. B. der Mikroelektronik, Medizintechnik erfordert weitere Kenntnisse der mechanischen Eigenschaften in kleinen Dimensionen, um die Zuverlässigkeit dieser Bauteile und Komponenten zu gewährleisten. Typische Ermüdungsversetzungsstrukturen, welche im ursächlichen Zusammenhang mit der Schädigungsentwicklung stehen, sind im Mikrometerbereich zu verorten. Die Reduzierung von Bauteilabmessungen in diesen Größenbereich kann diese Ermüdungsversetzungsstrukturen beeinflussen. Daher stellt sich die Frage, wann, wie und ob solche Strukturen entstehen können und welche Auswirkung dies auf das Schädigungsverhalten hat. Des Weiteren spielen auch Korngrenzen eine wesentliche Rolle, da diese ein Ort für das Auftreten von Anrissen sein können bzw. die Schädigungsentwicklung beeinflussen. Bei den Korngrenzen werden vor allem Inkompatibilitäten in den lokalen Spannungen und Dehnungen berücksichtigt, da diese mit dem Schädigungsverhalten an der Korngrenze nach Literaturmodellen korrelieren sollten. Aus diesem Grund werden in diesem Projekt in-situ Ermüdungsversuche im Rasterelektronenmikroskop (REM) an Einkristallen und Bi-Kristallinen mit Größen von 0,5 bis 15 µm durchgeführt, wobei der Fokus auf der Abhängigkeit der Struktur- und Schädigungsentwicklung von der Probengröße, der Anfangsversetzungsdichte und der Kristallorientierung liegt. Nach den Ermüdungsversuchen traten an der Oberfläche von dicken Proben Extrusionen auf, die denen in Makroproben gleichen. Die Schädigungsentwicklung und Versetzungsstrukturen wurden im REM systematisch untersucht. Die Schädigung der Mikroproben nahm wie erwartet mit zunehmender Belastung zu. Darüber hinaus wiesen dünne Proben schwächere Schädigung und kleinere Extrusionen als dicke Proben auf. Bei sehr dünnen Proben (< 2 µm) schienen weitere Schädigungsmechanismen aktiv zu werden. In Bi-Kristallinen wurde beobachtet, dass lokal an einer Korngrenze mehrere Versetzungsmechanismen stattfinden können (z.B. Versetzungsaufstau, Bildung einer verformungsbeeinflussten Zone, etc.). Der Vorteil in der Verwendung von Mikroproben liegt in der genauen Kenntnis der lokalen Spannungen und Dehnungen, was bei Änderungen in der Spannungs-Dehnungs-Kurve einen Rückschluss auf mikrostrukturelle Vorgänge in der Probe erlaubt und vice versa. So kann z. B. über den (lokalen) Bauschinger-Effekt auf die Spannungen eines Versetzungsaufstaus an der Korngrenze geschlossen werden. Grundsätzlich sind die gewonnenen Ergebnisse zudem auf makroskopische Proben übertragbar und können auch hier neue Einblicke im Bereich der Ermüdung liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen