Größeneffekte auf die mechanischen Eigenschaften - Experiment und Simulation

Abstract

In vielen Bereichen, wie zum Beispiel der Elektronik und Medizintechnik, gibt es Bestrebungen zur Miniaturisierung von Bauteilen. Die Eigenschaften des Materials und der Fertigungsprozesse sind jedoch größenabhängig, wobei eine Vielzahl von Mechanismen wechselwirken. Ein Beispiel hierfür betrifft die Änderung der Fließspannung bei Skalierung der Relation Korngröße : Probengröße, was Gegenstand dieser Arbeit ist. Wenn die Korngröße in die Größenordnung der Probenabmessungen kommt, verformen sich die Proben nicht mehr homogen, sodass eine makroskopische Betrachtung nicht mehr genügt. Das Verformungsgeschehen wird deshalb lokal erfasst, wofür Charakterisierungsmethoden entsprechend weiterentwickelt wurden. Mittels Orientation Gradient Mapping (OGM) können an Zug- und Tiefziehproben signifikante Unterschiede in der mikrostrukturellen Entwicklung zwischen den untersuchten Materialien (Fe-3%Si (krz) und Cu (kfz)) festgestellt werden. Es zeigt sich außerdem eine Zunahme der lokalen Verfestigung mit Abnahme der Korngröße. Die Annahme, dass das Material in der Nähe der Korngrenze stärker verfestigt als im Korninnern, konnte nicht bestätigt werden. Zur Modellierung des Größeneinflusses auf die anfängliche Fließspannung wird eine effiziente Vorgehensweise vorgeschlagen, welche auf einem einfachen Werkstoffmodell basiert. Damit können die anfängliche Fließspannung und Fließorte in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhergesagt werden. Die statistische Variante des Modells erlaubt eine Betrachtung des Streuverhaltens und eine Abschätzung des maximal zu erwartenden Größeneffekts. Vergleiche mit Experimenten zeigen eine gute Übereinstimmung.

Efforts are currently underway in many areas, as for example in electronics or medical technology, to scale down components. The properties of the manufacturing processes and of the materials, however, are size dependent. This is caused by numerous interacting mechanisms. An example for this is the change in yield stress due to the scaling of the relation grain size : specimen size, as is the subject of this work. If grain size is of the same order as the specimen dimensions, the specimens do not deform homogeneously, so that macroscopical examinations no longer suffice. Thus the characterization of the microstructural development is performed locally. According to those needs, local characterization methods are enhanced. Using Orientation Gradient Mapping (OGM) of tension test and deep drawn specimens, significant differences in the local microstructure of the investigated materials (Fe-3%Si (bcc) and Cu (fcc)) can be revealed. The local hardening was found to increase with decreasing grain size. However, the assumption that hardening near grain boundaries is higher than in the grain interior could not be confirmed. To predict the size dependency of the initial yield stress, an efficient model is used which is based on a simple material model.With this model, initial yield stress and yield locations can be predicted in agreement with experiments. The statistical variant of the model allows the consideration of scatter and the maximum expectable size effect. Comparisons with experiments show good agreement.