Microstructure based crack initiation and propagation mechanisms in bimodal UFG and nanoscaled materials

• Applicant: Privatdozent Dr.-Ing. Michael Marx
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins ; Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2009 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 160994633

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Projekt sollte die Möglichkeit der Verbesserung der Ermüdungseigenschaften von nanokristallinen oder ultrafeinkörnigen Materialien durch eine Wärmebehandlung zu einem bimodal eingestellten Gefüge systematisch untersucht werden. Anlass gaben zahlreiche Veröffentlichungen, wonach ein bimodales Gefüge bessere Ermüdungseigenschaften zeigt als ein monomodales Gefüge. Der vermutete Mechanismus war, dass die hohe Festigkeit der kleinen Körner gekoppelt mit einer hohen Duktilität der großen Körner den Widerstand sowohl gegen Rissinitiierung als auch Rissausbreitung erhöht. In der ersten Förderperiode wurde hierzu ein vielversprechender Ansatz über PED-Nickel gefunden, der allerdings in der 2. Förderperiode nicht bestätigt werden konnte. Die genaue Ursache konnte nicht ermittelt werden. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Bei ECAP-Nickel bestimmt die Ausgangsstruktur auch nach 8 Durchgängen noch die Mikrostruktur und die Schertextur bestimmt das Ermüdungsverhalten. ECAP-Nickel kann nicht in ein ermüdungsresistentes bimodales Gefüge umgewandelt werden. - Rissfortschritt erfolgte in bimodalem (NC/UFG) PED-Nickel erst bei höheren Spannungsamplituden als in monomodalem Material Bei PED-Material unbekannt: Einfluss des Kornfeiners Saccharin Fokus der Fortsetzung: Einfluss des Kornfeiners auf die Entwicklung der Mikrostruktur während der Wärmebehandlung und Einfluss auf die Rissausbreitung. Fragestellungen der zweiten Förderperiode und Ergebnisse: Welchen Einfluss hat das beigemischte Saccharin auf das Kornwachstum bezüglich abnormalem Kornwachstum? Mittels Saccharin-Konzentration und Wärmebehandlung können in gewissem Rahmen die Größe und der Anteil der über abnormales Kornwachstum sich bildenden UFG-Körner in der NC-Matrix gesteuert werden. - Welchen Einfluss hat das Saccharin auf die Ermüdungseigenschaften? Im Ausgangszustand führt die Kornfeinung zu einem erheblichen Zugewinn an Festigkeit bei gleichzeitig relativ hoher Bruchdehnung von ca. 6%. Diese Werte verschlechterten sich entgegen den Erwartungen für alle getesteten Wärmebehandlungszustände. - Wie kann eine Kombination aus geeignetem Saccharin-Gehalt mit einer Wärmebehandlung zu einem optimierten Gefüge führen? Mit den in diesem Projekt getesteten Methoden leider gar nicht, da das Saccharin in allen Fällen versprödend wirkt. Versuche, den Schwefel mittels Zugabe von MnCl4 abzubinden sind im Gang. Neuer Ansatz: Stabilisierung des NC-Gefüges mittels Zener-Pinning über (metallische) Nano-Partikel oder andere Kornfeiner wie MnCl4 und Butindiol.

Publications

• Mechanical properties of nanocrystalline and ultrafine grained nickel with bimodal microstructure, Advanced Engineering Materials 16, 11 (2014) 1323-1339
  Qian T., Marx M., Karaman I.
  
• How to produce a requested bimodal microstructure for optimized mechanical properties: Investigation of the mechanisms of abnormal grain growth in PED nickel, Int. J. Mater. Res. 106, 11 (2015) 1131-1143
  Kerger P., Marx M., Motz C., Rathmann D