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

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. 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} 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.