Miniaturisierung der shear compression specimen (SCS) und ihre Anwendung auf nanokristalline Metalle und Legierungen

Abstract

Während bei grobkristallinen Metallen vor allem die Bewegung von Gitterversetzungen als grundlegender, plastischer Deformationsmechanismus zur Verfügung steht, sind die entsprechenden Prozesse bei nanokristallinen (nk) Metallen weitgehend ungeklärt. Jedoch birgt der Einsatz einer affin verkleinerten Variante der shear compression specimen (m-SCS), eine Probengeometrie, welche aufgrund ihrer Form mit Scher-Kompression auf uniaxialen Druck reagiert, neue Möglichkeiten. Im Rahmen einer Validierung bestätigte der Vergleich der SCS mit dem herkömmlichen Zugversuch die Zuverlässigkeit der neuen Probengeometrie. Zur Anwendung der m-SCS auf das nk Modellsystem Pd90Au10 wurden Tabletten mit einer Korngröße von 10 nm mittels Edelgaskondensation gefertigt und per Funkenerosion in die richtige Form gebracht. Verformungen bei Raumtemperatur mit Dehnraten von 3*10^(-4) bis 3*10^(-1) 1/s führten zu Dehnungen über 20 % bei Fließspannungen zwischen 1 und 1,4 GPa. Daraus ergaben sich eine Dehnratensensitivität von 0,034 und ein Aktivierungsvolumen von 4,5 b^3. Bei Verformungen in flüssigem Stickstoff zeigten alle Proben sprödes Versagen bei Spannungen um 1,8 GPa. Diese Fakten sprechen einerseits für einen vorherrschenden Deformationsmechanismus, der thermisch leicht aktivierbar ist, also gegen eine Bewegung von Gitterversetzungen, und andererseits gegen die Dominanz von Korngrenz-Diffusionsprozessen. Eine weitere Einschränkung der Mechanismen ergibt sich aus dieser Studie jedoch nicht.

While the primary mechanism of plastic deformation in coarse grained metals is mainly given by intragranular slip of lattice dislocations, the corresponding processes in nanocrystalline (nc) metals are not fully understood yet. However, the application of an affinely scaled down version of the shear compression specimen (m-SCS), which shows a dominant shear with a superimposed compression, leads to promising new possibilities. The reliability of the SCS was proven in a validation procedure by comparing the SCS with a conventional tensile testing geometry. The utilisation of the m-SCS to the nc model system Pd90Au10 was carried out by preparing disc-shaped samples with a grain size of 10 nm using inert gas condensation followed by spark erosion to achieve the appropriate shape. Mechanical testing at room temperature with strain-rates from 3*10^(-4) to 3*10^(-1) 1/s revealed strains over 20 % with yield strengths between 1 and 1,4 GPa leading to a strain-rate-sensitivity of 0,034 and an activation volume of 4,5 b^3. Moreover, mechanical testing in liquid nitrogen showed brittle fracture of all samples at stresses of about 1,8 GPa. These facts clearly suggest a primary deformation mechanism with a low activation energy excluding intragranular slip of lattice dislocations but also negate grain-boundary originated diffusion processes. Nevertheless, a further constriction of the mechanisms is not possible with these results.