Korn- und Phasengrenzen in Nanopillars - Einfluss auf das Verformungsverhalten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt sollte die Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Korngrenzen in einem Korngrößenbereich unterhalb von zwei Mikrometern (UFG-Bereich) studiert werden, da sich in diesem Bereich die Abhängigkeit der Verformung (Fließgrenze, Dehnratenempfindlichkeit, etc) von der Korngröße verändert. Um definierte Grenzflächen studieren zu können, wurden definierte „Nanopillars“ aus speziell wärmebehandelten Nickelplatten (Korngrenzen senkrecht zur Plattenoberfläche) mit dem FIB („focused ion beam“) geschnitten. Mit diesem Verfahren lassen sich Bikristall unterschiedlicher Größe aber gleicher Korngrenze herstellen. Die Proben wurden im Druck sowohl last- als auch verschiebungskontrolliert verformt. Es zeigte sich, dass sich das Verformungsverhalten der Pillars für Pillardurchmesser kleiner als zwei Mikrometer deutlich ändert, wenn man es mit dem Verhalten entsprechender Einkristalle mit den Orientierungen der Komponentkristalle vergleicht. Bei dickeren Pillars wird die Verformung durch das Verformungsverhalten der Komponentkristalle, d.h. der Wechselwirkung der Versetzungen untereinander bestimmt. Erst bei Korngrößen, bei dem das Einfluss der Versetzungsnukleation (nur wenige Quellen im Kristall vorhanden) sichtbar wird, wird auch der Einfluss der Wechselwirkung der Korngrenze mit den Versetzungen in der Last-Verlängerungs-Kurve sichtbar. Dieser Bereich wurde für spezielle Groß-, Klein- und Zwillingskorngrenzen genauer untersucht. Da an der Pillaroberfläche der komplette Schnitt der Gleitebene sichtbar ist, lassen sich alle bei der Verformung beteiligten Gleitebenen geometrisch charakterisieren. Ferner wurde mit unserem hochauflösenden REM der durch die Verformung entstehende Orientierungsgradient entlang der Korngrenze im inneren der Proben mit verschiedenen Verfahren (d.h. sowohl bezogen auf einen unverformten Referenzpunkt als auch inkrementell) mit dem EBSD-Verfahren vermessen. An speziellen Grenzflächen wurden Orientierungsunterschiede bis zu sechs Grad durch die lokalen Verformungsgradienten an der Grenzfläche gemessen. Begleitend wurden die entsprechenden Bikristalle mit der EA-Methode (embedded atoms) simuliert. Die Simulation zeigt die Aktivierung der gleichen Gleitebene wie im Experiment, liefert aber zusätzlich die Abfolge der Verformung als auch die bevorzugten Nukleationsorte. Versetzungen können sowohl an der freien Oberfläche als auch an der Grenzfläche gebildet werden. Sie stauen sich an der Grenzfläche auf, bei kleinen Orientierungsunterschieden passieren sie die Grenzfläche, sonst werden Versetzungen in angrenzenden Korn auf einer passenden Gleitebene erzeugt. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein kinematisches Modell zur Bildung von Ermüdungsrissen im HCF-Bereich („High cycle fatigue“ ) aufgrund der Fehlpassung, dass die volle Geometrie der Grenzfläche, Korngrenzenneigung, Orientierung der Komponentkristalle, Gleitebenen und Gleitrichtungen berücksichtigt, entwickelt. Dieses Modell wurde auf Polykristalle angewendet und experimentell überprüft. Es ergab sich eine erstaunlich gute Übereinstimmung (90%) zwischen Vorhersage und Experiment. Derzeit wird dieses Modell durch Einbau einer analytischen Abschätzung der Orientierungsabhängigkeit der Inkompatibilitätsspannungen weiterentwickelt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of the role of grain boundary on the mechanical properties of metals. (2010) Journal of Physics: Conference Series, 240, art. no. 012017
Kheradmand, N., Barnoush, A., Vehoff, H.
- Grain Boundary-dislocation interaction: a local investigation via micron-sized bicrystals, Saarbrücker Reihe, Bd. 33, 2012 ISBN 978-3-8440-1158-6, Shaker Verlag
Nousha Kheradmand
- Orientation gradients at boundaries in micron-sized bicrystals. (2012) Advanced Engineering Materials, 14 (3), pp. 153-161
Kheradmand, N., Vehoff, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201100242) - An insight into the role of the grain boundary in plastic deformation by means of a bicrystalline pillar compression test and atomistic simulation (2013) Acta Materialia, 61 (19), pp. 7454-7465
Kheradmand, N., Vehoff, H., Barnoush, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.056) - Influence of microstructural barriers on small fatigue crack growth in mild steel (2013) International Journal of Fatigue, 57, pp. 86-92
Schäf, W., Marx, M., Knorr, A.F.
- Calculating the resistance of a grain boundary against fatigue crack growth. (2014) Advanced Materials Research, 891-892, pp. 929-935
Knorr, A.F., Marx, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.929) - Definition eines geometrischen Korngrenzenwiderstands zur Quantifizierung der kristallographischen Fehlpassung benachbarter Kornorientierungen, Saarbrücker Reihe, Bd. 42, 2014 ISBN 978-3-8440-3170-6 Shaker Verlag
Alain Franz Knorr
- Microstructural barriers against fatigue crack growth. (2014) Advanced Materials Research, 783-786, pp. 2339-2346
Knorr, A.F., Marx, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.2339)
