Wechselwirkung zwischen Korngrenzen und Versetzungen - Globale und lokale Untersuchungen zu den Verformungsmechanismen von nano- bis ultrafeinkörnigen kfz-Materialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt sollte der starke Einfluss der Korngröße auf das Verformungsverhalten nanokristalliner Werkstoffe untersucht werden. Insbesondere sollte der Grund für die starke Dehnratenempfindlichkeit von kubisch-flächenzentrierten Materialen unterhalb einer Korngröße von einem Mikrometer aufgeklärt werden. Als Modellmaterial wählten wir Nickel, das sowohl mit dem SPD-Verfahren als auch mit dem PED-Verfahren hergestellt werden kann. Zur mechanischen Charakterisierung wurden Dehnratenwechselversuche, Relaxationsversuche und inkrementelle Kriechversuche durchgeführt. Schon früh im Projekt zeigte sich insbesondere unter Zug die starke Abhängigkeit des Verformungsverhaltens von den Herstellungsbedingungen. Deshalb haben wir uns entschlossen, die Materialien selbst herzustellen und den Einfluss von Additiven und den Bedingungen der Abscheidung wie Stromdichte und Pulsparameter systematisch zu untersuchen. Es zeigte sich, dass nicht nur die Korngröße sondern auch die Textur und die Eigenspannungen von den Abscheidebedingungen abhängen. Es gelang uns aber, die Korngröße bei gleichbleibenden Herstellungsbedingungen zu variieren. Die mechanischen Messungen wurden deshalb immer an identisch hergestellten Proben durchgeführt und verglichen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass sowohl die Dehnratenempfindlichkeit als auch das Kriechverhalten stark von der Schwefelsegregation auf der Korngrenze abhängen. In dem durch hohen Saccharingehalt stabilisierten Nanonickel wurde sogar eine Abnahme der Kriechgeschwindigkeit mit abnehmender Korngröße beobachtet. An den reinen Materialien wurde eine lineare Abhängigkeit des Aktivierungsvolumens gemessen im Relaxationsversuch als auch im Dehnratenwechselversuch gefunden. Entsprechende Messungen für die segregierten Korngrenzen stehen noch aus. Die lineare Abhängigkeit des Aktivierungsvolumens von der Korngröße ist ein starker Hinweis darauf, dass die Dehnratenempfindlichkeit von der Wechselwirkung von Versetzungen mit Hindernissen auf der Korngrenze herrührt. Diese Sicht wird auch von den Messungen mit dem Nanoindenter an einzelnen Körnern gestützt. Man beobachtet im Einzelkorn erst eine Abhängigkeit von der Eindringgeschwindigkeit, wenn die plastische Zone der Indenterspitze von den Grenzflächen beschränkt wird, dies geht einher mit einer zunehmenden Härte. Mit zunehmender Korngröße und abnehmender Segregation kommen Erholungsprozesse und Versetzungs- Versetzungs-Wechselwirkungen hinzu. Dies gilt sowohl für PED- als auch für SPD-Nickel. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass insbesondere der Charakter der Korngrenze bei Nanokristallen einen weitaus größeren Einfluss auf das Verformungsverhalten hat als bei grobkörnigem Material. Dies geht so weit, dass sogar die Abhängigkeit von der Korngröße invertiert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- From in situ crack growth tests to nanoindentation in ufg materials. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 15 (1, Sp. Iss. SI):S313–S323, January 2007
Horst Vehoff
- The effect of grain size on strain rate sensitivity and activation volume - From nano to ufg nickel. (2007) International Journal of Materials Research, 98 (4), pp. 259-268
Vehoff, H., Lemaire, D., Schüler, K., Waschkies, T., Yang, B.
- Dislocation nucleation and multiplication in nano and ufg materials – what can be learned from conventional and local strain rate and creep tests with a NI-AFM. International workshop on the plasticity of nanocrystalline materials, Lake Bostal, 28. Sept.- 01. Oct. 2008, 2008
Horst Vehoff, Kerstin Schüler, Tao Quian, Bo Yang, and Nousha Kheradmand
- Plastic deformation mechanism of ultra-fine-grained AA6063 processed by equal-channel angular pressing. (2010) Acta Materialia, 58 (6), pp. 2112-2123
Qian, T., Marx, M., Schüler, K., Hockauf, M., Vehoff, H.
- , Effects of processing on texture, internal stresses and mechanical properties during the pulsed electrodeposition of nanocrystalline and ultrafine-grained nickel. (2013) Acta Materialia, 61 (11), pp. 3945-3955
Schüler, K., Philippi, B., Weinmann, M., Marx, V., Vehoff, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.03.008)
