Ermüdungsrisswachstumsmechanismen in meso-/micro- und nanoskaligen Proben - Rissinitiierung und Kurzrisswachstum in Gegenwart geometrischer und mechanischer Randbedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Motz; Dr.-Ing. Florian Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521371248

Wider research context / theoretical Framework: Bruchmechanische Konzepte werden in vielen Anwendungsbereichen immer wichtiger insbesondere in Hinblick auf Effizienz von Materialien in Bauteilen und Komponenten z.B. bei Leichtbaukonstruktionen zur Einsparung von Ressourcen und Energie. Größeneffekte sind ein intrinsisches Problem der Makrobruchmechanik, was zu Größenanforderungen in den entsprechenden Prüfnormen führt. Die Situation wird zusätzlich komplizierter, wenn komplexe Probengeometrien z.B. für die Prüfung von MEMS verwendet werden und/oder vergleichsweise große plastische Zonen vor der Rissspitze vorliegen, was typischerweise bei der Mikroprobenprüfung der Fall ist. Darüber hinaus kann eine komplexe Mikrostruktur, z.B. bei Multilayern, die Rissinitiierung und -ausbreitung durch mechanische und mikrostrukturelle Randbedingungen stark beeinflussen. Diese Auswirkungen und Herausforderungen wurden in der Vergangenheit nicht im Detail behandelt und werden im Mittelpunkt des Vorhabens stehen. Hypotheses/research questions /objectives: Wie müssen Probengröße, Randbedingungen, Materialverhalten und Inhomogenitäten im Hinblick auf die Anwendbarkeit gängiger bruchmechanischen Konzepte für Mikroproben berücksichtigt werden und gibt es notwendige Vorgaben für die Prüfung von Mikroproben (z.B. Ermüdungsanriss)? Approach/methods: Zur Analyse des Risswachstums kurzer Risse in Gegenwart mechanischer Randbedingungen wird nicht nur die Probengröße variiert, sondern auchmaßgeschneiderte Mehrschichtstrukturen mit unterschiedlichen Korngrößen durch galvanische Abscheidung hergestellt. Im Rahmen einer skalenübergreifenden Studie werden Meso- bis Mikroproben an der Universität des Saarlandes untersucht, die Montanuniversität Leoben untersucht Nano- und Mikroproben. Probengröße, Schichtsystem und Korngröße werden zur Untersuchung quasistatischer Risse sowie kurzer Ermüdungsrisse variiert. Durch die Kombination unserer Erfahrungen in der Mikro- und Nanomechanik werden wir eine Risscharakterisierung über die Verschiebungs- und Dehnungsfelder in der plastischen Zone vornehmen. Level of originality/Innovation: Bisher konzentrierten sich Arbeiten vor allem auf das Verständnis statischer Größeneffekte. Eine detaillierte Untersuchung der größenabhängigen Entwicklung der zyklischen Plastizität und des Bruchs fehlt jedoch. Zentrales Wissen über die zugrundeliegenden Mechanismen, die sich aus mikrostrukturellen und mechanischen Randbedingungen ergeben, fehlt bislang. Projektzielist ein besseres Verständnis der risstreibenden Kraft für physikalisch kurze, quasi-statische und Ermüdungsrisse unter geometrischen, mikrostrukturellen und mechanischen Randbedingungen, um ein umfassendes Modell der Ermüdung und des Bruchs in inhomogenen Materialien auf der Mikroskala zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Daniel Kiener