Quantifizierung des Korngrenzenwiderstandes gegen Gleittransfer von Versetzungen in fcc Metallen

Abstract

The interaction of dislocations with grain boundaries determines essentially the mechanical response of a material to plastic deformation and its fatigue lifetime. At the same time, this slip transfer behavior affects the fatigue strength of a material significantly and has only been partially understood yet. Therefore, quantitative and experimentally validated models for the slip transfer resistance are necessary to ensure an improved lifetime prediction and enable grain boundary engineering. But, the role of grain boundaries can be ambivalent: a grain boundary can increase the lifetime of a component by blocking short fatigue cracks, but it may also support crack initiation by slip blockade. The aim of this work is now to combine the existing concepts of slip transfer resistance at grain boundaries on the basis of geometrical, stress and energy considerations into a common concept and to determine if it is possible to quantify an experimentally verified slip transfer resistance only knowing the geometric parameters of a grain boundary. Inter alia, two- and three-dimensional microscopic techniques and methods combined with macro- and microscopic in situ-loading and fatigue are used to make those complex three-dimensional dislocation processes predictable.

Die mechanische Antwort eines Materials auf plastische Verformung sowie die Betriebsfestigkeit eines Werkstoffes werden maßgeblich durch die Wechselwirkung von Versetzungen mit Korngrenzen bestimmt. Gleichzeitig beeinflusst dieses Gleittransferverhalten die Lebensdauer eines Materials bei Ermüdung wesentlich und ist bislang nur ansatzweise verstanden. Mit dem Ziel einer verbesserten Lebensdauerabschätzung und einer gezielten Optimierung von Gefügen hinsichtlich Ermüdungsfestigkeit (sog. grain boundary engineering) sind daher quantifizierende, experimentell validierte Modelle für den Gleittransfer unabdingbar. Die Rolle der Korngrenzen kann jedoch ambivalent sein; eine Korngrenze kann durch Kurzrissblockade für ein Bauteil lebensdauererhöhend wirken oder durch Gleitblockade Rissinitiierung beschleunigen. Diese Arbeit hat das Ziel, die vorhandenen Konzepte zum Gleittransferwiderstand an Korngrenzen auf Basis geometrischer sowie Spannungs- und Energiebetrachtungen zu einem gemeinsamen Konzept zusammenzuführen und Aufschluss darüber zu geben, ob es möglich ist, aus Kenntnis der geometrischen Beziehungen der Korngrenze einen experimentell überprüften Gleittransferwiderstand zu quantifizieren. Hierzu werden unter anderem zwei- und dreidimensionale mikroskopische Abbildungs- und Untersuchungsverfahren mit makround mikroskopischer in situ-Belastung und -Ermüdung kombiniert um die komplexen dreidimensionalen Wechselwirkungsmechanismen von Versetzungen mit Korngrenzen vorhersagbar zu machen.