Nanobruch – Versagensursprung nanostrukturierter Materialien

Das Bruchverhalten von nanostrukturierten Werkstoffen stellt die Achillesferse der modernen Materialwissenschaft dar. Moderne Werkstoffe mit hoher Festigkeit verfügen meist über ein unzureichendes Maß an Duktilität und Zähigkeit. Eine Verbesserung der Mikrostruktur in Hinblick auf die Zähigkeit kann sowohl durch die Einstellung von Körnern, lamellaren Strukturen oder Ausscheidungen im Nanometerbereich realisiert werden, sowie durch komplexe Legierungskonzepte. Diese zusätzlichen Legierungselemente können an Korngrenzen oder lamellaren Grenzflächen segregieren, wodurch die Bruchzähigkeit und damit auch die Materialeigenschaften wie Rissentstehung und -ausbreitung verbessert werden. In dieser Arbeit wird das bisher kaum erforschte Bruchverhalten von anwendungsrelevanten nanokristallinen Cr-Cu/Ni und nano-lamellaren TiAl-Legierungen untersucht. Die Herstellung und Prüfung von Mikro- und Nano-Biegebalken ermöglicht es, den Einfluss der Legierungselemente auf die Grenzflächensegregation und damit auf das Bruchverhalten zu erforschen. Um die Rissausbreitung und die Deformationszone zu analysieren werden continuous stiffness Methoden und digitale Bildkorrelation durchgeführt. Die mikromechanischen Versuche werden In-situ in einem Raster- beziehungsweise Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Der dabei beobachtete Einfluss von Grenzflächentypen, Seigerungsniveaus und Versetzungen auf die Rissausbreitung wird Molekulardynamik und density functional theory Simulationen verglichen. Darüber hinaus ermöglicht die In-situ nano-beam diffraction die Bewertung der lokalen Dehnungen von Nano- Biegebalken während der Belastung. Dabei werden die simulierten Dehnungen, die zur Emission von Versetzungen vor der Rissspitze führen, durch Experimente validiert. Die Kombination aus In-situ Untersuchungen und skalenübergreifenden Simulationen stellt einen innovativen Ansatz zur Bewertung des Bruchverhaltens nanoskaliger Materialien dar, der weit über alle derzeit verfügbaren Methoden hinausgeht. Das Verständnis grundlegender Mechanismen, die das Risswachstum in nanokristallinen und -lamellaren Materialien begünstigen, wird es schließlich ermöglichen, diese durch wissensbasierte mikrostrukturelle Anpassungen und Legierungen zu verhindern. Dies ermöglicht in weiterer Folge, nanoskalige Werkstoffe im Hinblick auf ihre derzeit begrenzten Brucheigenschaften zu verbessern.