Wechselwirkung von Spannung und Oxidation während des Korngrenzenversagen: in situ Rissfortschrittsexperimente auf der Mikroskala

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Xufei Fang
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418649505

Durch Oxidation hervorgerufenes Versagen und Spannungsrisskorrosion (stress corrosion cracking, SCC) von Werkstoffen sind seit langem bestehende Herausforderungen in der Materialwissenschaft und auch in technischen Anwendungen. Dieses Projekt hat zum Ziel das Zusammenspiel von thermischen, mechanischen und Umgebungsfaktoren auf binäre NiFe Legierungen (Ni-40at.%Fe Legierung, kfz, Gamma-Phase) zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, untersucht dieses Projekt repräsentative Korngrenzen indem Mikrobiegebalken- und Bruchversuche von Bi-Kristallen durchgeführt werden. Verschiedene Biegebalkengrößen (Größeneffekt), Belastungsraten (Diffusionseffekt), Belastungsbedingungen (Spannungstensoreffekt) und Umgebungen (Vakuum und Oxidation) werden getestet, um das Zusammenspiel von Spannung und Oxidation und ihren Einfluss auf die Mikrostrukturentwicklung zu beleuchten:1) Ich untersuche den Effekt der Spannung auf die Oxidwachstumsgeschwindigkeit, indem Mikrobiegebalken mit repäsentativen Korngrenzen hergestellt werden. An den Korngrenzen kann die Oxideindringtiefe mit und ohne mechanische Belastung abhängig von der Umgebung (inkl. Temperatureinfluß) bestimmt werden. Ich vergleiche den Einfluss von Zug- und Druckspannung im Mikrobiegebalken auf die Diffusion und Oxidbildung und somit auf das Versagen des Balkens.2) Ich untersuche die Diffusion und Oxidbildung an der entstehenden Rissspitze indem ich verschiedene Belastungsraten und Probengrößen für die in situ mikromechanischen Bruchexperimente bei konstanter Temperatur verwende. Durch diese Experimente werde ich ein neues Verständnis zur Rissspitzenausbreitung mit Oxide gewinnen.3) Ich quantifiziere die Bruchzähigkeit der Korngrenze mit Hilfe von Bruchexperimenten an Mikrobiegebalken. DieBruchfestigkeit hängt von der Oxidbildung ab, die wiederum mit der Geometrie, den Belastungsraten, den Spannungszuständen und Korngrenzentypen korreliert.4) Durch die Charakterisierung der gebrochenen Proben mit hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie kann ich die Mechanismen identifizieren, die die Spannungsrisskorrosion beinflussen: I) durchs Oxid induzierte dynamische Versprödung; ii) Versagen durch spannugsinduzierte Korngrenzoxidation.Zusätzlich zu den Experimenten werden Finite-Elemente-Modelierungen durchgeführt, um die Oxideindringtiefe, Spannungszuständen, und den Geometrieeinfluss zu bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse zur Bruchzähigkeit werden mit den numerischen Ergebnissen verglichen, um die Simulationen zu validieren und den Einfluss der Oxidbildung zu quantifizieren. Das gewonnene Modell kann dazu benutzt werden, die Spannungsrissoxidation von Metallen in Zukunft zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen