Deformationsinduziertes Kornwachstum in nanokristallinem Kupfer

Nanokristalline Metalle besitzen außergewöhnliche mechanische und physikalische Eigenschaften, welche auf ihre kleine Korngröße zurückgeführt werden. Ein in diesem Zusammenhang immer wieder diskutiertes Problem ist die Frage der Korninstabilität, die einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften hat. Durch das in den letzten Jahren experimentell beobachtete Kornwachstum in nanokristallinen Materialien während plastischer Verformung hat diese Frage an Aktualität gewonnen. Die wenigen Daten basieren meist auf sehr spezifischen Experimenten oder molekulardynamischen Simulationen. Das Verständnis des nanokristallinen Kornwachstums ist eine unabdingbare Voraussetzung für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften und somit für die Lebensdauerberechnung von Bauteilen. Wichtig ist dieses Verständnis weiters für die Verfahrensentwicklung zur Herstellung von Bauteilen aus nanokristallinen Metallen. Ziel dieser experimentellen Studie ist es ein grundlegendes Verständnis des Phänomens der deformationsinduzierten mikrostrukturellen Instabilität von nanokristallinen Metallen zu erhalten. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss der Belastung - monoton oder zyklisch - und dem Einfluss der aufgebrachten plastischen Dehnung auf Vorgänge auf lokaler als auch globaler Ebene bei der Kornvergröberung. Um dieses Ziel zu erreichen sind Biege-, Torsions- und Hochdrucktorsionsversuche in monotoner und zyklischer Form geplant. Als Untersuchungsmaterial dient nanokristallines elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer das sehr oft als "Modellmaterial" für nanokristalline Metalle in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften verwendet wird. Zusätzlich umfasst das Versuchsprogramm eine Vielzahl von Belastungsbedingungen, eine Probengrößenvariation von submikrometer zu einigen Millimeter großen Proben und Dehnungen bis zu 1000. Die einzigartige Ausstattung am Erich Schmid Institut, welche sich von eigen entwickelten mechanischen Testmethoden von der Nano- bis zur Makroebene über mikrostrukturelle Charakterisierungsmöglichkeiten spannt, sind eine wichtige Voraussetzung für diese Studie. Diese Arbeit ist ein wichtiger Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Deformationsmechanismen in nanokristallinen Metallen. Aber auch technologisch gesehen kann sie einen entscheidenden Beitrag in der Erhöhung der Zuverlässigkeit von nanokristallinen Metallen leisten.

Ein übergeordnetes Ziel in den Materialwissenschaften ist die Entwicklung hochfester Werkstoffe, die zusätzlich eine duktile Verformbarkeit aufweisen. Eine Möglichkeit bei der eine enorme Steigerung der Festigkeit unter Beibehaltung einer zumindest moderaten Duktilität erfolgt ist die Reduzierung der Korngröße, das heißt jener Strukturelemente aus der metallische Werkstoffe aufgebaut sind. Durch modernste Techniken können nanostrukturierte Werkstoffe mit Korngrößen im Nanometerbereich erzeugt werden, was jedoch auch mit Schwierigkeiten verbunden ist. Extrem feinkörnige Strukturen neigen zu Instabilitäten da die Körner infolge mechanischer Belastung wachsen. Eine Zunahme der Korngröße ist jedoch mit einer Verringerung der Festigkeitseigenschaften verbunden. Da die konstruktive Auslegung von Bauteilen auf den ursprünglichen Festigkeitswerten der verwendeten Werkstoffe basieren, würde deren Veränderung die Zuverlässigkeit während des Einsatzes maßgeblich reduzieren. Die Identifizierung von Mechanismen und Treibkräften der Kornvergröberung ist daher von essentieller Bedeutung. Mithilfe von Mikrobiegeversuchen, die in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt wurden, konnte der Vergröberungsprozess in-situ während der mechanischen Belastung nachverfolgt werden. Die kontinuierliche Bewegung der Grenzen, die einzelne Körner voneinander abgrenzen, konnte als Ursache für deren Wachstum identifiziert werden. Dabei bewegen sich Korngrenzen häufig in jene Richtungen, damit große Körner wachsen, wohingegen kleine Körner schrumpfen und verschwinden. Eine Migration von Korngrenzen wird grundsätzlich auch in konventionellen, grobkörnigen Materialien beobachtet, jedoch im Gegensatz zu nanostrukturierten Materialien nur bei hohen Temperaturen. In nanostrukturierten Werkstoffen ist die thermische Aktivierung der Korngrenzenbewegung keine Voraussetzung für Kornwachstumsvorgänge, was in Versuchen unter Wechselbelastung bei nur -196.15 C nachgewiesen werden konnte. Bei sehr hohen zyklischen Verformungen findet die Kornvergröberung verstärkt in bänderförmigen Bereichen statt, in denen die Verformung lokal konzentriert ist. Dabei wachsen bevorzugt jene Körner die besonders günstig orientiert sind um die zyklische Verformung zu realisieren. Dies legt nahe, dass jene Mechanismen, welche die zyklische Dehnung realisieren, nämlich die Versetzungsbewegung, auch die Vergröberungsprozesse auslösen. Obwohl mit zunehmender zyklischer Verformung auch die Kornvergröberung innerhalb der Bänder kontinuierlich zunimmt, bestimmt letztendlich die Dehnungsamplitude, das heißt die Verformung pro Zyklus, die resultierende vergröberte Korngröße. Es konnte gezeigt werden, dass solche Vergröberungsvorgänge vor allem in hochreinen Werkstoffen auftreten und durch Einbringen einer lamellar angeordneten zweiten Phase unterdrückt werden können.