Einfluss des mechanischen Kontrastes sowie Größeneffekte auf das Ermüdungsrisswachstum von Ni- und Ni/Cu-Mikroproben

Abstract

Das Versagen durch Ermüdungsrisswachstum ist eine häufige Ursache für die Begrenzung der Lebensdauer von Bauteilen. Für makroskopische Bauteile gibt es etablierte Methoden zur Kennwertermittlung, während die Prüfmethodik im mikroskopischen Bereich noch nicht so weit entwickelt ist. Mit der Miniaturisierung werden Prüfmethoden auf der Mikrometer-Ebene notwendig, da eine Übertragung der makroskopischen Kennwerte auf beliebig kleine Größen nicht immer möglich ist. Bei Werkstoffkennwerten wie zum Beispiel der Fließspannung hat sich dies bereits im sogenannten Größeneffekt („kleiner ist stärker“) gezeigt. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Mikrobiegebalken die Prüfmethodik zur Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums auf der Mikro- und Mesoskala etabliert und der dabei auftretende extrinsische Größeneffekt systematisch untersucht. Weiterhin wurden metallische Schichtsysteme mit „mechanischen Kontrasten“ hinsichtlich Härte und E-Modul hergestellt und das Ermüdungsrisswachstum senkrecht zu den Schichten auf intrinsische Größeneffekte untersucht. Hierbei konnte die entwickelte Prüfmethode erfolgreich auf inhomogene Werkstoffe angewendet und ein Einfluss der Schichten mit Härteunterschieden auf das Ermüdungsrisswachstum beobachtet werden.

Failure due to fatigue crack growth is a common reason for limiting the service life of components. There are established methods for determining characteristic values for macroscopic components, while the testing methodology in the microscopic range is not yet aswell developed. With miniaturisation, testing methods at the micrometre scale are becoming necessary, as it is not always possible to transfer macroscopic characteristic values to arbitrarily small sizes. In the case of material parameters such as yield stress, this has already been shown in the so-called size effect („smaller is stronger“). In the present work, the test methodology for investigating fatigue crack growth on the micro- and mesoscale is established using microbending beams and the extrinsic size effect that occurs is systematically investigated. Furthermore, metallic layer systems with „mechanical contrasts“ in terms of hardness and modulus of elasticity were produced and the fatigue crack growth perpendicular to the layers was analysed for intrinsic size effects. The developed test method was successfully applied to inhomogeneous materials and an influence of the layers with differences in hardness on the fatigue crack growth was observed.