Indentierungskriechen: Neue Maschinen und Testmethodenentwicklung für variable Längenskalen, hohe Temperaturen und niedrige Verformungsraten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326946902

In der ersten Förderperiode wurde ein neuer Hochtemperatur- und Hochlast-Nanoindenter, betrieben in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) unter Vakuumbedingungen, entwickelt und erfolgreich an der TU Darmstadt installiert. Mit dem neuen Hochtemperatur-Nanoindenter sind dynamische Indentationsexperimente mit maximalen Lasten von bis zu 1 N bei Temperaturen von RT- 1100°C möglich. In der ersten Periode wurde das System entwickelt und es wurden erfolgreich Referenzmessungen zu Elastizitätsmodul, Härte, Ratenempfindlichkeit und Aktivierungsvolumen im gesamten Temperaturbereich an Glas, Ni und Mo bestimmt. Darüber hinaus wurde eine neue Messmethoden (constant contact Pressure) zur Bestimmung von Kriecheigenschaften entwickelt und der spröde-duktil Übergang mit Hilfe von dynamischen Eindringtests erfolgreich analysiert. Hochtemperatur-Nanoindentationsexperimente an Hochtemperaturwerkstoffen bleiben jedoch eine Herausforderung, insbesondere aufgrund der hohen Härte der Legierungen bei erhöhter Temperatur und der starken chemischen Wechselwirkung des Spitzenmaterials mit den Proben. Dies führt zu einem sehr hohen Spitzenverschleiß und einer potenziell unzuverlässigen Datenerfassung. Dennoch konnten wir zeigen, dass durch die Anwendung von Prüfverfahren mit großen Eindringtiefen und/oder kurzen Kontaktzeiten auch kritische Materialien wie Ni bei ultrahohen Temperaturen erfolgreich geprüft werden können. In der zweiten Förderperiode sollen die oben genannten Herausforderungen adressiert werden und dazu ein Leitfaden für die Prüfung relevanter Hochtemperaturwerkstoffe wie Ni-Basis-Legierungen bei ihrer Anwendungstemperatur ermöglicht werden. Der Anwendungsleitfaden soll dabei Hinweise für die Auswahl geeigneter Testverfahren, der Spitzengeometrie sowie einer geeigneten Kombination aus Probe und Spitzenmaterial für die jeweilige Fragestellung geben. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung neuer Messprotokolle für nicht-pyramidale Eindringkörpergeometrien (Kugel, flacher Zylinder) zur Charakterisierung von Materialparametern auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen, insbesondere zur Prüfung relevanter Ni-basierter HT-Legierungen. Dazu werden verschiedene Arten von Eindringversuchen an Referenzmaterialien (Ni-Mischkristalle, NiAl, IN718, ERBO1A) mit bekannten mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen durchgeführt und die Datenauswertung mittels Finite-Elemente-Modellierung unterstützt. Darüber hinaus werden im Rahmen des Projekts neue und stabilere Spitzenmaterialien gesucht und getestet. Dazu wird ein Diffusionspaar-Ansatz verwendet, um die chemische Wechselwirkung zwischen kritischen Proben und potenziellen neuen Spitzenmaterialien zu analysieren. Chemisch inerte Materialien werden dann als neue Spitzenmaterialien verwendet und ihre Leistung während des Eindringtests bei erhöhter Temperatur untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen