Einfluss der Kornarchitektur auf die Duktilität in SPD-Materialien

Duktilität und Festigkeit sind wichtige Materialparameter für strukturelle, aber auch für funktionelle Anwendungen, weil stets eine bestimmte Fehlertoleranz erforderlich ist. Die Festigkeit nanokristalliner Materialien ist üblicherweise sehr hoch. Ihre Duktilität und die Bruchzähigkeit - die Eigenschaft, welche die Duktilität von rissbehafteten Materialien angibt - sind oft sehr niedrig. Das verhindert vielfach die Anwendung dieser neuen Werkstoffe. Eine neue Methode - Hochverformung (Severe Plastic Deformation, SPD) - erlaubt die Herstellung ultrafeinkörniger und nanokristalliner Materialien, die diesen Nachteil - die Sprödigkeit - nicht oder nur im verminderten Maße aufweisen. Trotz des enorm gestiegenen Interesses an SPD-Materialien in den letzten 10 Jahren ist ein Verständnis der Phänomene, die die Duktilität und der Bruchzähigkeit kontrollieren, kaum vorhanden. Einer der Gründe dafür ist die begrenzte Materialmenge und die damit Limitierung in der Probengröße. Das "upscaling" der SPD-Verfahren erlaubt nun, dieses Problem zu überwinden. Ein wichtiger Beitrag in den letzten 10 Jahren war die Verbesserung des Hochdrucktorsionsverfahrens (HPT). Diese Technik ist relativ einfach, erlaubt das Aufbringen sehr hoher Dehnungen selbst in Materialien, die sonst nicht umformbar sind und ermöglicht eine sehr einfache Variation der Umformparameter, wie Dehnrate oder Verformungstemperatur. Weiters können damit unterschiedliche Pulver zu neuartigen massiven nanostrukturierten Materialien umgewandelt werden, die man vielfach mit keiner anderen Technik herstellt kann. Durch das "upscaling" von HPT - die Gruppe des Antragstellers verfügt derzeit über die weltgrößte Einrichtung - ist es nun möglich, Duktilität und Bruchzähigkeit in allen Richtungen, auch für Materialien, die extrem hoch verformt wurden, zu messen. Die durchgeführten Vorexperimente zeigten extreme Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Modellmaterialien, ultrafeinkörniges Eisen und ultrafeinkörniges Nickel. Ebenso unerwartet war die extrem ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Bruchzähigkeit. Für die gute Duktilität von SPD Materialien werden in der SPD Gemeinschaft unterschiedliche Erklärungsansätze diskutiert, z.B. wird der bimodalen Korngrößenverteilung, der spezielle Korngrenzenstruktur ("non-equilibrium boundaries"), oder den speziellen korngrenzendominierten Verformungsprozessen besondere Bedeutung zugeschrieben. Die Voruntersuchungen zeigten jedoch, dass die Form der Körner wesentlich wichtigere sind als die angesprochenen Besonderheiten. Das Ziel des beantragten Projekts ist es, den Einfluss der Kornarchitektur (Größe, Gestalt, Anordnung, Textur und Grenzstrukturen) auf die Duktilität und Bruchzähigkeit besser zu verstehen. Dies sollte helfen, nanokristalline Materialien mit intrinsisch hoher Festigkeit und guter Duktilität zu entwickeln - ein Traum von Materialwissenschaftern. Um das Ziel zu erreichen, muss beides untersucht werden, die Bruchprozesse die die Duktilität limitieren und die Parameter welche die Kornarchitektur kontrollierenden. Die einzigartige Kombination von Techniken am Erich Schmid Institut für Herstellung und das Studium der Verformung sowie der Bruchprozesse über alle Längenskalen von nano- bis zu makro soll verwendet werden, um einen Fortschritt beim Design von versagenstoleranten nanostrukturierter Materialien zu erreichen.

Duktilität und Festigkeit sind wichtige Materialparameter für alle technischen Anwendungen, sowohl für strukturelle, aber auch für funktionelle Anwendungen, weil eine strukturelle Integrität auch bei dieser entscheidend ist. Eine Möglichkeit die Festigkeit zu steigern ist die Verringerung der Korngröße, besonders hohe Festigkeiten erreicht man wenn man die Korngröße in den Nanometerbereich reduziert. Die Duktilität und die Bruchzähigkeit die Eigenschaft, welche die Duktilität von rissbehafteten Materialien angibt solcher nanokristallinen Werkstoffe sind oft sehr niedrig. Das verhindert vielfach die Anwendung dieser neuen Werkstoffe. Eine neue Methode Hochverformung bei relativ niedrigen Temperaturen (Severe Plastic Deformation, SPD) erlaubt die Herstellung ultrafeinkörniger und nanokristalliner Materialien, die diesen Nachteil die Sprödigkeit nicht oder nur im verminderten Maße aufweisen. Trotz des enorm gestiegenen Interesses an SPD-Materialien bis 2012 war ein Verständnis der Phänomene, die die Duktilität und der Bruchzähigkeit kontrollieren, kaum vorhanden. Einer der Gründe dafür ist die begrenzte Materialmenge und die damit einhergehende Limitierung in der Probengröße. Durch das upscaling von HPT die Leobner Gruppe hat die weltgrößte Einrichtung aufgebaut ist es nun möglich, Duktilität und Bruchzähigkeit in allen Richtungen, auch für Materialien, die extrem hoch verformt wurden, zu messen. Die durchgeführten Experimente zeigten extreme Unterschiede in den verschiedenen nanokristallinen Materialien. Ebenso unerwartet war die extrem ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Bruchzähigkeit. Für die gute Duktilität von SPD Materialien werden in der SPD Gemeinschaft unterschiedliche Erklärungsansätze diskutiert, z.B. wird der bimodalen Korngrößenverteilung, der spezielle Korngrenzenstruktur (non-equilibrium boundaries), oder den speziellen korngrenzendominierten Verformungsprozessen besondere Bedeutung zugeschrieben. Die Untersuchungen zeigten jedoch, dass die Form der Körner wesentlich wichtigere sind als die Korngröße. Das Ziel des beantragten Projekts war es, den Einfluss der Kornarchitektur (Größe, Gestalt, Anordnung, Textur und Grenzstrukturen) auf die Duktilität und Bruchzähigkeit besser zu verstehen. Um das Ziel zu erreichen, musste beides untersucht werden, die Bruchprozesse die die Duktilität limitieren und die Parameter welche die Kornarchitektur kontrollierenden. In detaillierten Untersuchungen der Änderung der Architektur beim Wechsel des Verformungsart konnte erstmals genau gezeigt werden welche atomaren Prozesse für die Einstellung einer bestimmten Größe und Gestalt der Körner, deren Anordnung, Textur und deren Grenzstrukturen bestimmen. So können nun viel besser gezielt Kornarchitektur eingestellt werden. Durch die einzigartige Kombination von Techniken am Erich Schmid Institut für Herstellung und das Studium der Verformung sowie der Bruchprozesse über alle Längenskalen von nano- bis zu makro, konnte das Verständnis über das Versagen von nanostrukturierter Materialien deutlich verbessert werden. In allen untersuchten ultrafeinkörnigen und nanokristallinen Materialien haben wir eine extreme Anisotropie festgestellt. Wir konnten zeigen, dass diese Anisotropie nicht unbedingt von Nachteil ist, sie kann helfen nanokristalline Materialien mit intrinsisch hoher Festigkeit und guter Duktilität zu entwickeln ein Traum von Materialwissenschaftlern. Der Erfolg des Projekts ist am besten sichtbar in der großen Anzahl von Vorträgen (mehr als 40 davon 20 eingeladen) und Veröffentlichungen (mehr als 20). Der kürzlich gestartete ERC Advanced Grant Ultra strong Materials kann als Nachfolgeprojekt angesehen werden und spiegelt den Impact des Projekts wider.