NanoHighSpeed – Verformung und Versagen von Materialien bei sehr hohen Dehnraten auf der Nanoskala

Themenbereich:
Nanomechanik

Verantwortliche Mitarbeiter:

Prof. Dr. Benoit Merle


 

 

Härte von grobkörnigen Aluminium bei verschiedenen Dehnraten. Es wird
erkenntlich, dass durch die Oliver-Pharr Auswertemethode ein Fehler
entsteht, der durch die neue Auswertemethode von Merle, Higgins und
Pharr vermieden wird. Der Pfeil deutet das Ziel des Projektsan, die aktuell
erreichbaren Dehnraten vergrößern.
Nach: Merle, Benoit, Wesley H. Higgins, und George M. Pharr, J. Mater. Res., 2020.

 


Projektbeschreibung

Eines der Forschungsziele des Projektes ist es, die Änderungen der mechanischen Eigenschaften bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten und den Einfluss der Mikrostruktur zu verstehen. Neben der Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen und die aktivierten Volumina bei unterschiedlichen Dehnraten, sowie der daraus resultierenden Dehnratensensitivität soll mitunter untersucht werden, wie sich Korngrenzen bei hohen Dehnraten verhalten, wobei Mechanismen wie Versetzungstransmission, Schermigration und Bruch betrachtet werden. Diese Änderungen lassen sich durch sogenannte thermische Prozesse bei der Verformung erklären, welche sowohl durch niedrige Temperaturen als auch durch hohe Belastungsgeschwindigkeiten unterdrückt werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse können für die Entwicklung neuer Materialien genutzt werden, welche Belastungen bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten besser standhalten. Auf lange Sicht ergeben sich so sicherheits- und umweltrelevante, sowie ökonomische Vorteile.

Aufgrund von experimentellen Herausforderungen ist es zurzeit nur möglich, makroskopische und homogene Proben bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten zu untersuchen. Da jedoch auch dünne Komponenten, wie Beschichtungen von Fräsern und Bohrern im Betrieb, oder Smartphone-Displays beim Aufschlag am Boden, hohen Belastungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind, ergibt sich daraus die Notwendigkeit, ebenso für diese Anwendungen Messmethoden zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften zu etablieren.

Hierbei bietet sich die Methode der Nanoindentierung an, welche bei niedrigen Belastungsgeschwindigkeiten bereits eine Untersuchung der tiefenabhängigen mechanischen Eigenschaften zulässt. Die Möglichkeiten erstrecken sich soweit, dass durch Variation der Belastungsgeschwindigkeit oder der Temperatur mitunter der spröd-duktil Übergang bestimmt oder der auftretende Verformungsmechanismus identifiziert werden können.

Während die maximale Belastungsgeschwindigkeit von herkömmlichen Nanoindentern sowohl durch die elektronischen Komponenten (z.B. zu niedrige Abtastrate) und der mechanischen Charakteristik des Gerätes (z.B. zu niedrige Eigenfrequenzen) beschränkt wird, soll der neue Nanoindenter der Firma Alemnis AG mit einer Abtastrate bis zu 106 s-1 die anfangs erwähnte Dehnrate von ca. 105 s-1 ermöglichen.

Neuigkeiten und Fortschritte

Konferenz TMS

Zwischen dem 26.02 und 03.03.2022 fand die TMS in Anaheim in den USA statt. Benoit Merle konnte vor Ort erste Ergebnisse der hochgeschwindigkeits Nanoindentierung vorstellen. Als einer von fünf Organisatoren leitete er das Symposium zu „30 Jahre Nanoindentierung mit der Oliver-Pharr Methode und mehr“. Selbst stellte er einen Vortrag zu „Nanoindentation at High Sustained Strain Rates: Recent Improvements and Challenges“ vor.

Summer School on Experimental Nano- & Micromechanics

Vom 04.-06.10.2021 fand die von PD Benoit Merle und Prof. Dr. mont. Christoph Kirchlechner organisierte Summer School on Experimental Nano- & Micromechanics in Karlsruhe statt. Ziel der Summerschool war es, den neu beginnenden Promovierenden die verschiedenen Charakterisierungsmethoden im Feld der Mikro- und Nanomechanik näher zu bringen und auf mögliche Fehlerquellen aufmerksam zu machen. Zudem konnten so erste Kontakte zwischen den Promovierenden geschaffen werden. Die Teilnehmer und Vortragenden kamen von dem Max-Plank-Institut für Eisenforschung aus Düsseldorf, dem Karlsruher Institut für Technologie und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Aus dem Mitarbeitern des ERC-Projekt NanoHighSpeed waren Stefan Zeiler, Hendrik Holz und als Vortragender PD Benoit Merle dabei.

Installation des Ultra high strain rate Nanoindenter der Firma Alemnis AG

Vom 13.-15.07.2021 wurde der neue Nanoindenter aufgebaut und eine Einschulung durch die Mitarbeiter von Alemnis AG durchgeführt. An den drei Tagen wurde jeweils vormittags der Nanoindenter aufgebaut und auf seine Funktionalität überprüft. Anschließend wurden die Mitarbeiter des Projekts an dem Nanoindenter geschult. Dabei wurde die generelle Nutzung sowie einige nützliche Tipps und Tricks für den alltäglichen Umgang weitergegeben. Wir danken Alemnis für die interessante Schulung und freuen uns auf die Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes.

This ultra high strain rate Nanoindenter is part of a project that has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 949626).

Ehemalige Mitarbeiter

 

Link zu der ERC-Projekt Website: https://cordis.europa.eu/project/id/949626/de

This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 949626).