Grenzflächenstabilität und Schädigungsentwicklung in ultrafeinkörnigen Werkstoffen bei zyklischer und thermischer Beanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ultrafeinkörnige (UFG) Werkstoffe zeichnen sich durch hervorragende monotone Eigenschaften aus. Um die UFG-Werkstoffe erfolgreich in die industrielle Anwendung zu überführen, ist die Kenntnis der Eigenschaften unter zyklischer Belastung unabdingbar. Im Rahmen des Projektes wurde daher das Ermüdungsverhalten verschiedener UFG-Werkstoffe charakterisiert. Es zeigte sich, dass für die mikrostrukturelle Stabilität dieser Werkstoffe bei zyklischer und/oder thermischer Beanspruchung vor allem die Grenzflächeneigenschaften maßgeblich sind. Während zu Beginn des Vorhabens reine Metalle, wie Kupfer im Vordergrund standen, wurden in der zweiten Phase gezielt verschiedene Legierungen untersucht. So konnte z.B. durch Zulegieren geringen Mengen von Zirkonium eine ausreichende mikrostrukturelle Stabilität von UFG-Kupfer über Ausscheidungen erreicht werden. Weiterhin zeigte sich, dass das Ermüdungsverhalten stark von der homologen Temperatur abhängt. Diese Erkenntnis konnte z.B. für einen ultrafeinkörnigen IF-Stahl gezielt genutzt werden, um durch angepasste Wärmebehandlungen das Ermüdungsverhalten günstig zu beeinflussen. Darüber hinaus ist es gelungen, eine ultrafeinkörnige Niob-Basislegierung herzustellen, die zyklische Stabilität aufweist und gleichzeitig die Möglichkeit zur lokalen Randschichthärtung über selektive Oxidation bietet. Dieses Material zeigt daher sehr hohen Verschleißwiderstand und eignet sich auf Grund seiner ausgezeichneten Biokompatibilität z.B. für zyklisch hochbeanspruchte Implantate. Zur Beschreibung des Verhaltens von Werkstoffen, die sich durch sehr komplexe Verformungsmechanismen auszeichnen, hat sich die Simulation mittels visko-plastischer (VPSC = visco plastic self consistent) Methoden als sehr gut geeignet erwiesen. Im Teilprojekt ist es hiermit gelungen, die Wechselwirkung von Versetzungen mit den unterschiedlichen Grenzflächentypen (Großwinkel vs. Kleinwinkelkorngrenzen) werkstoff- und korngrößenunabhängig zu beschreiben. Dies ist für die Modellierung des Werkstoffverhaltens der UFG-Werkstoffe wesentlich, da die Experimente gezeigt haben, dass die Grenzflächeneigenschaften nicht nur das Verfestigungsverhalten sondern auch die Schädigungsentwicklung maßgeblich bestimmen.
