Untersuchung der lokalen Bruchzähigkeit und des elastisch‐plastischen Bruchverhaltens von NiAl und Wolfram mittels Mikrobiegebalkenversuchen

Investigation of the local fracture toughness and the elastic-plastic fracture behavior of NiAl and tungsten by means of micro-cantilever tests

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-71580
  • Das Ziel dieser Arbeit war es, ein verbessertes Verständnis für die Größenabhängigkeit der Bruchzähigkeit zu gewinnen. Hierfür wurden mittels fokussierter Ionenstrahlen gekerbte Mikrobiegebalken in verschiedenen Größen vom Submikrometerbereich bis hin zu einigen 10 µm in B2-NiAl und Wolfram präpariert. Diese beiden Materialien besitzen charakteristische Spröd-Duktil-Übergange, die oberhalb der Raumtemperatur liegen. Dies erlaubte es, Bruchvorgänge, welche von begrenzter plastischer Verformung um die Rissspitze begleitet werden, auf der Mikroskala zu untersuchen. Neue Methoden zur Beschreibung und Bestimmung des lokalen elastisch-plastischen Bruchverhaltens bzw. derDas Ziel dieser Arbeit war es, ein verbessertes Verständnis für die Größenabhängigkeit der Bruchzähigkeit zu gewinnen. Hierfür wurden mittels fokussierter Ionenstrahlen gekerbte Mikrobiegebalken in verschiedenen Größen vom Submikrometerbereich bis hin zu einigen 10 µm in B2-NiAl und Wolfram präpariert. Diese beiden Materialien besitzen charakteristische Spröd-Duktil-Übergange, die oberhalb der Raumtemperatur liegen. Dies erlaubte es, Bruchvorgänge, welche von begrenzter plastischer Verformung um die Rissspitze begleitet werden, auf der Mikroskala zu untersuchen. Neue Methoden zur Beschreibung und Bestimmung des lokalen elastisch-plastischen Bruchverhaltens bzw. der Bruchzähigkeit wurden hierfür erarbeitet. Im Speziellen wurde das J-Integral-Konzept zur Ermittlung von Rissfortschritt über Steifigkeitsmessungen auf die Mikroskala übertragen. Dies ermöglichte eine präzise Analyse des für die Bruchzähigkeit charakteristischen Übergangs von Rissabstumpfung zu stabilem Rissfortschritt. Die Versuche an einkristallinem NiAl für die beiden untersuchten Risssysteme der harten und weichen Orientierung ergaben Bruchzähigkeiten, welche in guter Übereinstimmung mit Literaturdaten aus makroskopischen Versuchen sind. Ein Größeneffekt wurde somit auf der untersuchten Skala nicht gefunden. Eine Zugabe von geringen Mengen an Eisen zu den Einkristallen wirkte sich nicht merklich auf die Bruchzähigkeit, jedoch auf den Rissfortschritt und folglich auf die Risswiderstandskurven aus. Bei Wolfram zeigten Versuche an Einkristallen eine klare Abhängigkeit der Bruchzähigkeit von der Probengröße, wobei die kleinsten Proben rein spröde versagten. Die an Hand von REM-Bildern beobachtete plastische Verformung in den größeren Biegebalken wurde durch EBSD-Messungen quantifiziert. Ebenso wie auf der Makroskala zeigte das untersuchte Risssystem <100>{100} eine Belastungsratenabhängigkeit. So wurde bei größeren Belastungsraten wegen der eingeschränkteren thermischen Versetzungsbeweglichkeit ein spröderes Versagen festgestellt. Untersuchungen an plastisch vorverformten Proben zum Einfluss der Versetzungsdichten auf das Bruchverhalten ergaben die gleichen Bruchzähigkeiten. Allerdings versagten die Proben vorzeitig bei niedrigeren J-Integralen. Dies wurde mit der geringen Mobilität der von der Rissspitze emittierten Versetzungen in Folge von starker Kaltverfestigung sowie erhöhter Fließspannung in den Proben erklärt. Experimente an ultrafeinkörnigem Wolfram zeigten, dass die Proben spröder als erwartet versagten. Dies wurde darauf zurückgeführt, dass auf der Mikroskala ein an der Rissfront günstig für Spaltbruch liegendes Korn den Bruchvorgang bereits entscheidend beeinflusst.show moreshow less
  • The objective of this work was to get an improved understanding of the size dependence of the fracture toughness. For this purpose notched micro-cantilevers were fabricated ranging in dimensions from the submicron regime up to some tens of microns by means of a focused ion beam. B2-NiAl and tungsten were chosen as model materials as their brittle to ductile transition temperatures are well above room temperature. In that way, fracture processes accompanied by limited plastic deformation around the crack tip could be studied at the micro scale. For this size regime, new methods to describe the local elastic-plastic fracture behavior and to measure the fracture toughness were elaborated.The objective of this work was to get an improved understanding of the size dependence of the fracture toughness. For this purpose notched micro-cantilevers were fabricated ranging in dimensions from the submicron regime up to some tens of microns by means of a focused ion beam. B2-NiAl and tungsten were chosen as model materials as their brittle to ductile transition temperatures are well above room temperature. In that way, fracture processes accompanied by limited plastic deformation around the crack tip could be studied at the micro scale. For this size regime, new methods to describe the local elastic-plastic fracture behavior and to measure the fracture toughness were elaborated. Particular focus was set on the J-integral concept which was adapted to the micro scale to derive crack growth from stiffness measurements. This allowed a precise analysis of the transition from crack tip blunting to stable crack growth which is necessary to accurately measure the fracture toughness. Experiments in single crystalline NiAl showed for the two investigated crack systems, namely the hard and the soft orientation, that the fracture toughness at the micro scale is the same as the one known from macroscopic testing. Thus, size effects were not found for the tested length scale. The addition of little amounts of iron did not affect the fracture toughness considerably. Yet, it influenced the crack growth in those samples and consequently the resistance curve behavior. Concerning experiments in single crystalline tungsten, the fracture toughness showed a clear dependency on sample size. The smallest cantilevers fractured purely by cleavage. Larger samples exhibited stable crack growth along with plastic deformation which was recognizable in SEM-micrographs and quantified by means of EBSD measurements. Just as in macroscopic testing, the investigated crack system <100>{100} demonstrated a dependency on loading rate with higher loading rates leading to a more brittle behavior. This is linked to the thermally activated dislocation mobility which is more constrained in those samples. Investigations on plastically predeformed samples were performed in order to study the influence of the dislocation density on the fracture behavior. It was found that the fracture toughness was again not affected but that the predeformed samples failed at an earlier stage at lower J-integrals. This is due to the lower mobility of the dislocations emitted from the crack tip in consequence of the high amount of strain hardening and the higher flow stress in those samples. Experiments in ultrafine-grained tungsten revealed a fracture behavior which was more brittle than expected. A single grain at the crack front with its crystallographic orientation being prone to cleavage failure can decisively influence the fracture behavior at the micro scale.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johannes Ast
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-71580
ISBN:978-3-944057-52-1
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (7)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Mathias Göken, Horst Vehoff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Embargo Date:2016/05/11
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/02/03
Release Date:2016/05/12
Tag:Electron Backscatter Diffraction; Fokussierter Ionenstrahl; Grösseneffekte; Mikroskala; Nickelaluminium; Orientierungsmikroskopie; Wolfram
Focused Ion Beam
SWD-Keyword:Bruchmechanik; Bruchzähigkeit; Biegeversuch; Rasterelektronenmikroskop
Pagenumber:152 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-944057-51-4
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0