Verformungsmechanismen von nanoporösen hexagonalen Metallen

Trotz der technischen Relevanz von Metallen mit hexagonaler Kristallstruktur (hcp), zum Beispiel Titan (Ti) und Magnesium (Mg), ist ihre Anwendung bei weitem nicht so verbreitet wie die der allgegenwärtigen flächenzentrierten (fcc) und raumzentrierten (bcc) Metalle. Die schlechte Duktilität aufgrund der limitierten Anzahl von Gleitsystemen in Kombination mit einer nur durchschnittlichen Festigkeit ist keine optimale Kombination. Die aktuellen weltweiten Bemühungen zur Reduktion des Energieverbrauches erfordern den Einsatz von Leichtmetalle in vielen Anwendungen. Auch nimmt durch die ansteigende Lebenserwartung der Bedarf nach biokompatiblen Metalllegierungen als Ersatz für menschliche Knochen zu. Da hcp Metalle die Mehrheit der Anforderungen erfüllen können, rückten diese wieder verstärkt ins Blickfeld. Die Entwicklung von neuen biokompatiblen Materialen mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften gestaltet sich aber nach wie vor schwierig, da grundlegende Probleme unverstanden sind. Ziel dieser Kooperation ist es, Leichtbaulegierungen mit niedriger Steifigkeit zu entwickeln, geeignet für den Einsatz im menschlichen Körper. Niedrige Dichte und Biokompatibilität werden durch die Verwendung von hcp Metallen wie Mg oder Ti erreicht. Die gewünschte Steifigkeit kann durch eine nanoporöse Struktur eingestellt werden. Eine Reduktion der Ligament-Dimensionen in einem porösen Material verändert aber auch die mechanischen Eigenschaften signifikant. Es ist deshalb unbedingt erforderlich, die größenabhängigen Verformungsmechanismen solcher nanoporösen Mg und Ti Legierungen unterschiedlicher Porosität in Relation zu Massivwerkstoffen zu verstehen, da diese die mechanischen Eigenschaften bestimmen. Für ein grundlegendes Verständnis werden zuerst größenabhängige mikromechanische Druck- und Zugversuche an einkristallinen Proben in-situ im Rasterelektronenmikroskop (REM) durchgeführt, um Verformung und Verfestigung von Massivproben in Dimensionen von einigen m bis zu ~100 nm zu studieren. Diese werden durch in-situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Experimente ergänzt. Von besonderem Interesse ist ein Wechsel des Verformungsmechanismus, von Zwillingsbildung zu Versetzungsplastizität. Hochaufgelöste TEM des Ausgangsmaterials und der verformten Proben wird dabei zur Bestimmung des Zwillingsmechanismus herangezogen. Sobald das Verhalten der Massivmaterialien verstanden ist, liegt der Fokus auf den nanoporösen Mg und Ti Legierungen. Verschiedene Porosität sowie Porengrößenverteilung, und dadurch variierte Ligamente, werden mittels 3D Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) bestimmt. Nach der detaillierten TEM Charakterisierung des nanoporösen Materials werden mikromechanische in-situ Versuche für verschiedene Porosität sowohl im TEM als auch REM durchgeführt. Hauptaugenmerk liegt auf den Änderungen der Probensteifigkeit und der Verfestigung als Funktion der Porosität, sowie möglichen größenabhängigen Veränderungen des Verformungsmechanismus in Relation zum Massivmaterial. In der letzten Projektphase werden die Vorteile der beiden untersuchten Materialien durch Infiltration von Mg in nanoporöses Ti kombiniert. Das resultierende optimierte Nanoverbund-material wird wieder detaillierten analytischen und in-situ REM/TEM Untersuchungen unterzogen, um die mechanischen Eigenschaften und zugrunde liegenden Verformungsmechanismen zu verstehen. Die erfolgreiche Durchführung dieser Aufgaben zur Aufklärung der Verformungs-mechanismen von nanoporösen hcp Materialien erfordert die Zusammenarbeit zwischen der österreichischen (Montanuniversität Leoben) und koreanischen (POSTECH) Gruppe. Beide sind hoch spezialisiert und verfügen über ausgezeichnete Erfahrungen in den Gebieten der in-situ REM bzw. in-situ TEM Versuche. Auch haben die Projektleiter in den letzten sechs Jahren bereits erfolgreich kooperiert, wie gemeinsame Publikationen in renommierten Journalen zeigen.

Das bessere Verständnis der größenabhängigen Verformungsprozesse von miniaturisierten hexagonalen Metallen, als Einkristall, Schaum oder Verbundwerkstoff, standen im Fokus dieses Projektes. Durch hochaufgelöste in situ Testmethoden in Elektronenmikroskopen konnten wir hier neue Einblicke in die Natur der konkurrierenden Prozesse gewinnen. Vorbereitend zu den in situ Experimenten wurde eine neue thermische Behandlung entwickelt, die es uns erlaubt derartige miniaturisierte Einkristalle schädigungsfrei herzustellen und zu untersuchen. Ebenso waren wir erfolgreich in der Synthese von neuartigen porösen Metallen mit angepassten elastischen Eigenschaften über eine Platzhaltertechnik, wie auch von höchstfesten Kompositen über die Route der Hochverformung. Das Verformungsverhalten dieser hexagonalen Werkstoffe in kleinen Dimensionen hat sich als höchst komplex herausgestellt, da es nicht nur von der Probengröße und Kristallorientierung abhängt, sondern auch von der Belastungsrate, was bis dato unbekannt war. Dies führt dazu, dass beispielsweise die basale Ableitung durch Versetzungen vergleichbar zu klassischen flächenzentrierten Metallen erfolgt. Andererseits zeigt die generell schwierigere Verformung durch prismatische Versetzungen eine erhebliche thermisch aktivierte Spannungskomponente ähnlich den raumzentrierten Metallen. Dieser Verformungsprozess konkurriert in seinem Spannungslevel mit der Verformung über Zwillingsbildung. Alle drei Mechanismen sind in ihrer Aktivierungsspannung größenabhängig, aber mit unterschiedlichen Skalierungsverhalten. Und während im Speziellen die prismatische Gleitung stark thermisch aktiviert ist, erfolgt die Verzwilligung im Wesentlichen athermal. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei hexagonalen Metallen wie Magnesium oder Titan durch gezielte Einstellung der Mikrostruktur und eine kontrollierte Anpassung der Belastungsgeschwindigkeit das Verformungsverhalten von gerichteter und damit für die Verformung ungünstiger Verzwilligung zu homogener Verformung über prismatische Versetzungen verändert werden kann. Diese neuen Erkenntnisse sind von Bedeutung für weiterführende Anwendungen, beispielsweise im Bereich der Mikroformgebung oder der Nanoarchitektur.