Mikrostruktur- und Temperatureinfluss auf (Sub-)Mikrometer Plastizität in bcc Metallen

Obwohl kubisch-raumzentrierte (krz) Metalle die wichtigste Klasse von Strukturwerkstoffen darstellen, sind die größenabhängigen festigkeitsbestimmenden Versetzungsmechanismen, welche bei der plastischen Verformung von mikroskopischen Proben zu tragen kommen, nicht verstanden. Es gibt keine direkten hochauflösenden Beobachtungen, und existierende Studien widersprechen sich in ihren Schlussfolgerungen. Auch ist nichts über den Einfluss von Temperatur und Reibspannung auf die mechanischen Eigenschaften von miniaturisierten krz Proben bekannt. Schließlich zeigen diese Werkstoffe im Makroskopischen neben einer ausgeprägten Temperaturabhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften auch einen temperaturabhängigen spröd-duktil Übergang des plastischen Verhaltens, dessen Auftreten im Fall des Materialversagens katastrophale Folgen haben kann. In kleinen Dimensionen gibt es allerdings keinerlei Erkenntnisse über ein derartiges Verhalten. Das liegt daran, dass zur Zeit weltweit keine Möglichkeiten existieren, derartige quantitative miniaturisierte Tests bei erhöhten Temperaturen durchzuführen und simultan die Verformungsvorgänge hochaufgelöst zu beobachten, um derartigen Problemen nachzugehen. Im Rahmen dieses Projektes werden die temperaturabhängigen Festigkeits- und Brucheigenschaften der krz Metalle Vanadium, Chrom und Wolfram für Probengrößen von unter 100 nm bis zu 10 m untersucht. Dazu werden quantitativen Zugversuche in situ in hochauflösenden Elektronenmikroskopen durchgeführt. Die direkte Beobachtung der Verformungsvorgänge während der Belastung bis zur atomaren Ebene wird zum Verständnis der größenabhängigen Verformungs- und Bruchmechanismen bei derartig winzigen Proben beitragen. Um der Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften Rechnung zu tragen, werden neuartige Heizeinrichtungen für die in den Elektronenmikroskopen verwendeten Belastungseinrichtungen entwickelt. Dadurch wird es erstmals möglich, den Einfluss der thermischen Aktivierung auf die Verformungsvorgänge in krz Metallen, den Effekt der Probengröße auf die temperaturabhängige Bruchzähigkeit, und das Eintreten des spröd-duktil Überganges in kleinen Dimensionen direkt zu adressieren. Diese quantitativen in situ Experimente, zusammen mit einer detaillierten Charakterisierung der verformten Proben und begleitenden Computersimulationen, werden zur Entwicklung neuer mechanistischer Modelle herangezogen, welche die größen- und temperaturabhängige Festigkeit und Bruchzähigkeit von krz Metallen im Mikro- und Nanometerbereich vorhersagen können.

Für unterschiedlichste technische Problemstellungen, von Hochtemperaturanwendungen über die chemische Industrie bis hin zur Mikroelektronik, finden Refraktärmetalle mit kubisch- raumzentrierter (krz) Gitterstruktur breite Anwendung. Zur Verbesserung deren Eigenschaften spielt das Verständnis der lokalen Plastizität und des Einflusses von Grenzflächen eine enorme Bedeutung. Das umfassende Verständnis von Größeneffekten in der Kristallplastizität stellt hier nach wie vor eine große Herausforderung dar. Im vorliegenden Projekt wurden basierend auf einzigartigen mikromechanischen in-situ Experimenten die grundlegenden Prozesse identifiziert und darauf aufbauend neue Materialmodelle entwickelt. Im Besonderen wurde der temperaturabhängige, thermisch aktivierte Anteil der Fließspannung von zwei repräsentativen krz Metallen (Chrom und Wolfram) und dessen Einfluss auf das Skalierungsverhalten der Festigkeit adressiert. Eine real noch viel komplexere Situation ergibt sich, wenn zusätzliche Grenzflächen in das Material eingebracht werden. Hierzu wurde der Einfluss von internen Grenzflächen auf Größeneffekte in der Plastizität auf verschiedenen Längenskalen sowie bei variabler Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit untersucht. Die vorliegenden Untersuchungen identifizieren mikrostrukturelle Mechanismen, welche zu Skalierungseffekten in krz Metallen beitragen, aber auch Anteile welche durch freie Oberflächen entstehen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei niedrigen Temperaturen sowohl bei einkristallinen als auch ultrafeinkörnige Proben die thermisch aktivierte Bewegung von Schraubenversetzungen den verformungslimitierenden Schritt darstellt, wohingegen oberhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur ein konstantes Aktivierungsvolumen im ultrafeinkörnigen Zustand auf Interaktionen von Versetzungen mit Korngrenzen als ratenlimitierenden Prozess schließen lässt.