Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Verfestigung in Ein- und Polykristallen bei zyklischer Belastung (Bauschinger Effekt)

  verformter Mikrobiegebalken eines Nickel-Basis Einkristalls im Rasterelektronenmikroskop verformter Mikrobiegebalken eines Nickel-Basis Einkristalls im Rasterelektronenmikroskop

Das Werkstoffverhalten unter zyklischer Belastung ist insbesondere im Maschinenbau von hoher praktischer Relevanz. Die Lebensdauer metallischer Komponenten wird häufig durch die Ermüdung der eingesetzten Werkstoffe begrenzt. Durch die zyklische Belastung kommt es zu teilweise irreversiblen plastischen Verformungen, welche zu Dehnungslokalisierungen, zur Rissbildung und schließlich zum Bruch der Bauteile führen können. Um die Lebensdauer zyklisch belasteter Bauteile präzise vorherzusagen und zu verbessern, ist ein tiefgehendes Verständnis der zugrundeliegenden werkstoffmechanischen Phänomene unabdingbar. Eine zentrale Bedeutung entfällt hierbei auf den sogenannten Bauschinger- Effekt, welcher die Verfestigung des Werkstoffes unter zyklischer Belastung bestimmt und das Werkstoffverhalten somit maßgeblich beeinflusst.

Obgleich viele Aspekte der zyklischen Plastizitätsmechanismen durchaus bekannt sind und in Modelle umgesetzt wurden, fehlt eine belastbare, quantitative Beschreibung des Materialverhaltens auf mikromechanischer Skala. Zur qualitativen und quantitativen Analyse des Bauschinger-Effekts werden in diesem Projekt verschiedene Ansätze kombiniert. Zunächst wird das zyklische Werkstoffverhalten durch Mikrobiegeversuche an Einkristallen einer Nickel-Basis Legierung analysiert. Die freistehenden Biegebalken mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern haben den Vorteil, dass einzelne Gleitsysteme, definierte Kristallorientierungen sowie die Effekte von Korngrenzen präzise evaluiert werden können. Die hieraus gewonnenen Daten bilden die Basis eines Einkristall-Plastizitätsmodells, welches die simulative Analyse des Bauschinger-Effektes ermöglicht.

Die Untersuchungen an Einkristallen werden im zweiten Teil des Projektes auf polykristalline Werkstoffe übertragen. Zyklische Eindruckversuche sowie Zug-Druck-Versuche dienen der Quantifizierung des makroskopisch beobachtbaren Bauschinger-Effektes und schlagen die Brücke zwischen mikrostrukturellen Untersuchungen und praxisrelevanten Anwendungsfeldern. Die Erkenntnisse diverser experimenteller und theoretischer Untersuchungen ermöglichen Einblicke in die Zusammenhänge zwischen den kristallplastischen Phänomenen und dem makroskopisch beobachtbaren Bauschinger-Effekt, womit sie einen wichtigen Erklärungsbeitrag für vorhersagekräftige mechanismenbasierte Ermüdungslebensdauermodelle leisten.