Simulation von nanomechanischen Tests mit hilfe von direkter diskreter Versetzungsdynamik

Die fortschreitende Miniaturisierung in vielen Bereichen der Technik (z.B. mikroelektronische Systeme, Medizintechnik, etc.) benötigt immer kleiner werdende mechanische Systeme. Um solche Systeme erfolgreich einsetzen zu können, sind Materialkennwerte in diesen kleinen Dimensionen erforderlich. Eine einfache Anwendung der "makroskopischen" Kennwerte ist bei vielen Werkstoffen nicht möglich, da sich diese aufgrund von Größeneffekten ändern. Durch neue Herstellungstechniken (z.B. der fokussierten Ionenstrahl-Methode) konnten in den letzten Jahren umfangreichere mechanische Untersuchungen an Proben im Mikrometerbereich durchgeführt werden. So zeigten sich an miniaturisierten Druck und Biegeproben aus herkömmlichen Metallen und Legierungen in dem Größenbereich von ca. 10 m bis hinunter zu ca. 500 nm ein ausgeprägter Größeneffekt. Für Kupfer, zum Beispiel, stieg die Fließspannung auf fast 1 GPa für die kleinsten Proben. Die physikalischen Mechanismen, welche diesen Größeneffekt verursachen, sind bis dato noch nicht ganz verstanden, bzw. gibt es verschiedene, teils konkurrierende Modelle. Experimentelle Methoden können das Ausmaß des Größeneffektes und die zugrundeliegenden Mechanismen liefern, allerdings bleiben viele Einflussfaktoren (z.B. Versetzungsquelldichte, etc.) im Verborgenen. Numerische Simulationen sind daher die ideale Ergänzung, da hier die komplexe Interaktion verschiedener Materialparameter studiert werden kann, was für ein umfassendes Verständnis der mechanischen Eigenschaften in kleinen Dimensionen unerlässlich ist. In diesem Projekt sollen diskrete Versetzungsdynamik-Simulationen in 3D an miniaturisierten Proben durchgeführt werden. Diese sind für den gewählten Größenbereich von ca. 100 nm bis zu ca. 10 m das ideale Werkzeug, und können die, für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften in kleinen Dimensionen notwendigen Informationen liefern. Zu Beginn sollen Simulationsrechnungen an einfachen Druckproben im Größenbereich von 100 nm bis 20 m mit einfachen Randbedingungen durchgeführt werden. Anschließend werden "komplexere" Randbedingungen verwendet, wie z.B. härtere Oberflächenschichten, welche durch viele Herstellungsprozesse entstehen und die Ergebnisse mit den Experimenten verglichen. Gleichzeitig wird eine Variation bestimmter Materialparameter, wie der Versetzungsquelldichte, durchgeführt und der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften studiert. Abschließend soll der Einfluss komplexerer Versetzungsmechanismen (z.B. Quergleiten) auf das Verformungsverhalten studiert werden. Ziel ist es, die grundlegenden Materialparameter zu identifizieren, welche die mechanischen Eigenschaften in kleinen Dimensionen bestimmen und diese mit gezielten experimentellen Studien zu verifizieren. Die Arbeitsgruppe von Prof. Gumbsch an der Universität von Karlsruhe bietet für dieses Vorhaben die ideale Arbeitsumgebung und genießt einen hervorragenden internationalen Ruf.