Mikrostruktur und Eigenschaften von MMCs

Forschungsprojekt P 14333Mikrostruktur und Eigenschaften von MMCsOtmar KOLEDNIK06.03.2000 Eine der Funktionen des menschlichen Skeletts ist es, dem Körper mechanische Stabilität zu verleihen und innere Organe zu schützen. Die besonderen mechanischen Eigenschaften des Knochens sind vor allem auf seinen hierarchischen Aufbau und eine auf allen Ebenen optimierte Struktur zurückzuführen. Wie durch verschiedene Krankheitsbilder gezeigt wird, können bereits geringe Abweichungen von der optimalen Struktur zu einer betrachtlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen. Das Ergebnis kann ein erhöhtes Frakturrisiko sein, wie zum Beispiel bei der Osteoporose, einer metabolischen Erkrankung mit einer enormen sozioökonomischen Bedeutung. In diesem Projekt wird besonderes Augenmerk auf die unterste hierarchische Skala gelegt, wo man den Knochen als einen Verbund aus Kollagen und Mineral auffassen kann. Kollagen ist der fasrig-elastische und das Mineral der harte und spröde Anteil. Das Ziel des Projekts ist es aufzuklären, wie durch die geeignete Durchmischung dieser beiden Komponenten, die in der Natur gewünschten mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Typische Parameter, die innerhalb des Knochens variieren, sind die Faserorientierung des Kollagens sowie der Mineralisierungsgrad. Zur Charakterisierung des Materials soll eine Kombination von Methoden, wie Rückstreuelektronenmikroskopie, (synchrotron)-Röntgenkleinwinkelstreuung und Neutronenstreuung für die Strukturanalyse sowie kontrollierte Rißausbreitung und Nanoindentierung für die mechanische Beurteilung eingesetzt werden. In einem weiteren Schritt soll mit der Modellierung der mechanischen Eigenschaften begonnen werden.

Die Attraktivität für den Einsatz von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMCs) in der Technik ist die Gewichtseinsparung und die damit verbundenen ökologischen und ökonomischen Vorteile, besonders in der Transportindustrie. Die wichtigsten Hindernisse gegen einen häufigeren Einsatz sind ihre niedrige Duktilität und Bruchzähigkeit. Das Ziel dieses Projektes war es deshalb, das grundlegende physikalische Verständnis der Verformungs- und Brucheigenschaften von teilchenverstärkten MMCs zu verbessern. Der neue Ansatz war, die Architekturparameter des Materials und ihre Verformungs- und Brucheigenschaften lokal zu betrachten. Die lokalen Brucheigenschaften wurden aus der Gestalt von korrespondierenden Bruchoberflächenbereichen von gebrochenen Proben abgeleitet, die mit einem System zur automatischen Bruchflächenanalyse erfasst wurden. Eine neues Verfahren wurde entwickelt, bei dem die Resultate aus der Bruchflächenanalyse mit analytischen Berechnungen kombiniert wurden. Damit gelingt es, die maximalen Spannungen in einzelnen Teilchen vor der Rissfront im Augenblick ihres Bruches abzuschätzen. Das lokale Verformungsverhalten wurde mittels in-situ Experimenten im Rasterelektronenmikroskop erforscht. Bei verschiedenen Belastungen wurden Bilder aufgenommen und mit einem Computerprogramm verarbeitet, um die lokalen Dehnungs- und Rotationsfelder bei den verschiedenen Belastungszuständen zu generieren. Mit diesem Verfahren konnten sehr detailliert der Beginn der plastischen Verformung, die Bildung von Scherbändern und die Schädigungsentwicklung in MMCs mit verschiedenen Teilchengehalten, Teilchengrößen und Wärmebehandlungszuständen untersucht werden. Das reine Matrixmaterial wurde auch getestet. Es zeigte sich, dass die globale Duktilität dieser Materialien mit steigender Inhomogenität der lokalen Verformung sinkt. Für eine gute Duktilität muss die Bildung von langen, Schädigungs- induzierten Scherbändern verhindert werden, die eine sehr hohe lokale Dehnung aufweisen. Solche Bänder können durch den Bruch von großen Teilchen, aber auch durch Cluster von viel kleineren Teilchen entstehen. Die Untersuchungen führten auch zu einer neuen Möglichkeit, die Homogenität von MMCs mit kleinen Verstärkungsteilchen, bei denen besonders oft Teilchencluster auftreten, mittels extrem hoher plastischer Verformung zu verbessern.