Contact fatigue of nanostructured metals using nanoindentation methods
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Einsatz von feinkristallinen bzw. nanokristallinen Metallen als Strukturwerkstoff wird davon abhängen, wie gut die Beständigkeit gegen Schädigung und Versagen als Folge zyklischer Belastung ist. Aktuell gibt es nur wenige Untersuchungen an nanokristallinen Metallen zum mechanischen Verhalten unter zyklischer Belastung sowie zur Schädigungsentwicklung. Die wenigen Daten zum Ermüdungsverhalten nanokristalliner Metalle stammen hauptsächlich aus zyklischen Zugversuchen sowie aus zyklischen Gleitversuchen unter Belastung im Newton- Bereich. Der Fokus der Ermüdungsversuche unter Zugbelastung lag in erster Linie auf Rissentstehung und Risswachstum, während das Entstehen von Schädigung nur unzureichend untersucht wurde. Ebenso fokussierten die Gleitversuche in erster Linie auf die Veränderungen des Reibungskoeffizienten und weniger auf das Entstehen von Schädigung. Darüber hinaus war wurden maximal 100 Belastungszyklen durchgeführt. Das Verhalten unter Gleitbelastung bei geringeren Kräften und höheren Zyklenzahlen wurde bisher nicht untersucht. Im Rahmen dieses Projekts wurde das Verhalten feinkristalliner Metalle unter zyklischer Kontaktbelastung bei großen Zyklenzahlen untersucht. Die Untersuchungen wurden an Ni mit unterschiedlicher Korngröße durchgeführt und die Einflüsse von Korngröße und Belastungsbedingungen beschrieben. Die Experimente wurden mit einem Nanoindenter durchgeführt. Sowohl bei zyklischer Gleitbelastung als auch bei zyklischer Normalbelastung wurden Veränderungen der Mikrostruktur beobachtet. Diese mikrostrukturellen Veränderungen hängen sowohl von der Belastung als auch von der ursprünglichen Korngröße des Materials. Bei kleinen Korngrößen wurde eine deutliche Zunahme der Korngröße beobachtet, während bei einer großen Ausgangskorngröße Kornverfeinerung auftrat. Einhergehend mit den Veränderungen der Mikrostruktur wurde unter zyklischer Normalbelastung eine Abnahme der Kontaktsteifigkeit beobachtet, wobei die Zyklenzahl bei einem Steifigkeitsabfall um 10% als Lebensdauer gewertet wurde. Unter dieser Annahme wurde gezeigt, dass die Lebensdauer bei nanokristallinen Metallen deutlich höher ist als bei größeren Korngrößen. Die Lebensdauer nimmt mit zunehmender Belastungsamplitude ab. Die beobachtete Steifigkeitsabnahme kann durch die Bildung von Mikrorissen erklärt werden. Um Veränderungen der Materialeigenschaften infolge zyklischer Kontaktbelastung zu untersuchen wurden Finiten-Element-Rechnungen unter Verwendung neuronaler Netze durchgeführt. Mit zunehmender Zahl der Be- und Entlastungszyklen nimmt die Breite der Hysteresen Lastzyklen im Modell deutlich stärker ab als im Experiment. Dies kann mit der beobachteten Veränderung der Mikrostruktur erklärt werden. Bei Kornvergröberung nimmt die Härte des Materials im Allgemeinen ab, was zu einer Zunahme der Hysterese führt. Aktuell werden im Rahmen der Forschergruppe FOR714 „Plastizität in Nanokristallinen Metallen und Legierungen“, in der auch das Institut für Materialforschung II vertreten ist, die Verformungsmechanismen in nanokristallinen Metallen und insbesondere der Einfluss von Legierungselementen untersucht. Diese Untersuchungen werden auch zu einem besseren Verständnis der zyklischen Belastung beitragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Cyclic contact deformation of nanocrystalline Ni”. TMS 2006 Annual Meeting, March 12–16, 2006, San Antonio, TX, USA
R. Schwaiger, J. Knyrim, S. Suresh
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“Instabilities during deformation of nanocrystalline metals”. Nano 2006, Aug. 20- 25, 2006, Bangalore, India
R. Schwaiger
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“Mechanical behavior of nanostructured materials”. International Advanced Materials Forum for Young Scientists, Feb. 27 – March 1, 2006, Mishima, Japan
R. Schwaiger
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“Mechanical Properties in Small Dimensions “. MICRONANORELIABILITY 2007, Berlin, Sept. 2-5, 2007
R. Schwaiger
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“Mechanical testing of nanostructured materials”. 31st International Conference on Advanced Ceramics and Composites, January 21-26, 2007, Daytona Beach, FL, USA
R. Schwaiger
