Indentationsgrößeneffekt und Verformungsverhalten von Nickel mit verschiedenen Korngrößen
Creators: name: Bernstein, Iris
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Indentationsgrößeneffekt
Verformungsmechanismen
Nickel

description: Über die Korngröße lassen sich viele Eigenschaften polykristalliner Werkstoffe, wie z.B. Leitfähigkeit, Korrosionsverhalten oder Bearbeitbarkeit, gezielt einstellen. Mit der Reduzierung der Korngröße hin zu nanokristallinen Dimensionen tritt eine kontinuierliche Änderung der Materialeigenschaften auf, wodurch sich für Werkstoffe eine Vielzahl neuer technologischer Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Größeneffekte sind daher seit vielen Jahren ein interessantes Forschungsgebiet in der Wissenschaft. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum besseren Verständnis des Indentationsgrößeneffekts in kubisch flächenzentrierten Polykristallen, welcher anhand von Nickel als Modellmaterial im Kontext verschiedener Korngrößenregime, Verformungsmechanismen und Mikrostrukturänderungen diskutiert wird. Für den Erhalt vergleichbarer und aussagekräftiger Ergebnisse wurden Nickelproben mit hoher Dichte und Reinheit verwendet. Es wurde ein drei Größenordnungen umfassender Korngrößenbereich abgedeckt. Die mechanischen Eigenschaften sowie das Verformungsverhalten wurden mittels Nanoindentation untersucht. Die mikrostrukturellen Veränderungen während der Verformung wurden an mit dem Ionenstahlmikroskop präparierten Probenquerschnitten analysiert. Mit abnehmender Korngröße wurde ein starker Anstieg der Härte gemäß dem Hall-Petch-Effekt beobachtet. Diese Härtezunahme wurde dem bei kleinen Korngrößen großen Korngrenzenanteil im Material und der daraus folgenden starken Einschränkung der Versetzungsbewegung zugeschrieben. Im Vergleich zum mc Nickel wurden für nc Nickel deutlich erhöhte Dehnratensensitivitäten und erniedrigte Aktivierungsvolumen ermittelt. Dies weist auf einen mit abnehmender Korngröße und zunehmendem Korngrenzenanteil im Material kontinuierlichen Übergang von konventioneller Versetzungsbewegung zu korngrenzenbasierter Verformung hin. Scherspannungsgetriebene Korngrenzenmigration wurde bei den feinkörnigen Nickelproben als der dominierende Verformungsmechanismus der plastischen Verformung angesehen, während bei mc Nickel eine dem Einkristall ähnliche, versetzungsbasierte Verformung vorlag. Bei allen untersuchten Korngrößen trat eine Härteabnahme mit zunehmender Eindringtiefe auf. Dieser sogenannte Indentationsgrößeneffekt (ISE) wurde von Nix und Gao im Falle des Einkristalls auf die Bildung von geometrisch notwendigen Versetzungen (GND) innerhalb der plastischen Zone zurückgeführt. Umso stärker Korngrenzenprozesse in die Verformung eingebunden sind, desto mehr verliert die Bildung von GND für eine kompatible Akkommodation an Wichtigkeit. In dieser Arbeit wird daher ein mit abnehmender Korngröße abnehmender Indentationsgrößeneffekt beobachtet. Im Nix-Gao-Modell ist der intrinsische Längenparameter h* ein Maß für den Hindernissabstand bzw. die mittlere freie Weglänge einer Versetzung und steht im Einkristall für den mittleren Abstand zweier Versetzungen. Im Polykristall kommen Korngrenzen als potenzielle Hindernisse für die Versetzungsmobilität hinzu. Wendet man das Nix-Gao-Modell auf Polykristalle an, so kann h* folglich maximal so groß wie die Korngröße werden. Quantitativ wurde ein mit abnehmender Korngröße abnehmendes h* ermittelt. Anhand von Probenquerschnitten wurde bei feinkörnigem Nickel deutliches Kornwachstum während der Indentation festgestellt. Möglicherweise ist ein ISE in nc Nickel nur aufgrund des nachgewiesenen Kornwachstums aufgetreten, da dies eine vermehrte Versetzungsaktivität ermöglicht hat und eine Entfestigung des Materials nach sich zieht. Berücksichtigt man den Korngrenzenanteil sowie das Kornwachstum im Nix-Gao-Modell über die Hall-Petch-Beziehung, so nimmt h* für ufc und nc Nickel etwas zu. Dies spiegelt die durch die Mikrostrukturänderungen und das Kornwachstum ermöglichte vermehrte Versetzungsaktivität wieder.