W-Folie: DuktilitätIdentifikation der Mechanismen der plastischen Verformung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Reiser
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250335026

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wolfram (W) besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle und wäre damit für anspruchsvollste Hochtemperaturanwendungen prädestiniert. Allerdings ist Wolfram bei niedrigen Temperaturen spröde. Der Antragsteller konnte zeigen, dass Wolfram durch starkes Kaltwalzen duktilisiert werden kann. Die diesem Verhalten zugrunde liegenden Mechanismen sind noch nicht verstanden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden daher die Mechanismen der plastischen Verformung von stark kaltgewalzten, ultra-feinkörnigen Wolframblechen untersucht. Das zu untersuchende Probenmaterial waren fünf Wolframplatten welche aus einer einzigen Sinterplatte gewalzt wurden. Fünf Bleche mit fünf unterschiedlichen Umformgraden und damit fünf unterschiedlichen Mikrostrukturen wurden hergestellt. Die Verformungsmechanismen dieser Wolframbleche/folien wurden im Anschluss durch indirekte Methoden (Dehnratenwechselversuche) sowie durch direkte Methoden (Elektronenmikroskopieanalysen) identifiziert. Folgende wesentlichen Ergebnisse wurden erzielt: Nach starkem Kaltwalzen (ϕ = 4; T = 0,33) sind die Körner in Walzrichtung extrem langgestreckt und haben in Dickenrichtung eine mittlere Korngröße von 230 nm. - Das sich im Zugversuch darstellende, inelastische Werkstoffverhalten kann auf Versetzungsaktivität zurückgeführt werden (siehe Einschnürung der Proben). - Die Massivbauteilplastizität wird auch im ultrafeinkörnigen Bereich von der Bewegung der Schraubenversetzungen kontrolliert (siehe starke Temperaturabhängigkeit von Rp0,2). Diese Erkenntnis ist bedeutend, da bisher in der Refraktärmetall-Community die Annahme bestand, dass die Raumtemperaturduktilität von Wolfram von der Bewegung der Stufenversetzungen getragen würde. - Ab einer kritischen durch Kaltwalzen induzierten Defektstruktur kommt es zu einem Paradigmenwechsel, da sich nun mit zunehmendem Umformgrad nicht nur die Festigkeit sondern auch die Gleichmaßdehnung, Ag, erhöht. Annahme: Geordnete Bewegung von Schraubenversetzungen entlang der HAGB-Kanäle. - Die Interaktion von Versetzungen und Korngrenzen ändert sich von „blockierend“ bei niedrigen Temperaturen auf „absorbierend“ bei erhöhten Temperaturen (siehe Evolution der Dehnratensensitivität, m, über der Temperatur; insbesondere Anstieg der Dehnratensensitivität, m, oberhalb der kritischen Temperatur). - Es wird angenommen, dass sich durch Kaltumformung die Anzahl der Versetzungsquellen erhöht: (i) Kleinwinkelgrenzen (engl.: low angle boundaries), (ii) Stufen in Korngrenzen (engl.: grain boundary ledges) oder (iii) Versetzungsrückstände (engl.: debris loops) könnten als Quelle agieren und die hinreichende Nukleation von Versetzungen bei RT ermöglichen. - Das Erholungs- und Rekristallisationsverhalten von stark kaltgewalzten Blechen unterscheidet sich von dem von nur moderat umgeformten Halbzeugen. Entgegen dem klassischen Bild findet bei ultra-feinkörnigen Wolframfolien keine Keimbildung statt (Rekristallisation in-situ). Stark kaltgewalzte Wolframfolien sind duktil. Durch aufrollen und geeignetes Verbinden können duktile Wolframrohre hergestellt werden. Diese Rohre stellen eine ernsthafte Alternative zu Rohren aus Nickelbasis-Superlegierungen dar und könnten eines Tages die Energietechnik revolutionieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018) Cold rolled tungsten (W) plates and foils: Evolution of the tensile properties and their indication towards deformation mechanisms. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (70) 124-133
  Bonk, Simon; Hoffmann, Jan; Hoffmann, Andreas; Reiser, Jens
  
• Ductility in cold-rolled ultrafine-grained (UFG) tungsten (W): Correlation between microstructure and mechanical properties, ICM12, Karlsruhe, 10.–14.05.2015
  S. Bonk, A. Hoffmann, J. Reiser
  
• Ductility in cold-rolled ultrafine-grained (UFG) tungsten: Correlation between microstructure and mechanical properties, FEMS EUROMAT, Warschau, 20.-24.09.2015
  S. Bonk, J. Hoffmann, J. Reiser
  
• Ductility in cold-rolled ultrafine-grained (UFG) tungsten: Correlation between microstructure and mechanical properties, ICFRM- 17, Aachen, 12.-16-10.2015
  S. Bonk, A. Hoffmann, J. Reiser
  
• Cold rolled tungsten (W) plates and foils: Evolution of the microstructure, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 60 (2016) 92–98
  S. Bonk, J. Reiser, J. Hoffmann, A. Hoffmann
  
• Ductility in ultrafine-grained (UFG) tungsten foil: correlation between microstructure and mechanical properties, 4th Japanese–German Seminar on Energy Materials Science,KIT, Karlsruhe, 26-28.01. 2016
  S. Bonk, J. Hoffmann, U. Jäntsch, M. Klimenkov, J. Reiser
  
• Ductilization of tungsten (W) through cold-rolling: Correlation between microstructure and mechanical properties in UFG-W sheets, MSE Congress, Darmstadt, 27.–29.09.2016
  S. Bonk, A. Hoffmann, J. Reiser
  
• Ductilisation of tungsten (W) through cold-rolling: Correlation of microstructure and mechanical properties in UFG-W sheets, 19th PLANSEE Seminar, Reutte, 29.05. – 02.06. 2017
  S. Bonk, J. Hoffmann, A. Hoffmann, J. Reiser