Einfluss der Mikrostruktur auf das Fließverhalten von metallischen Werkstoffen in Mikro- und Nanokavitäten -Nanoimprinting-

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282202710

Im Rahmen des Projektantrags soll der Einfluss der Mikrostruktur auf das Fließverhalten von metallischen Werkstoffen in Mikrokavitäten untersucht werden. Das Konzept des Antrags beruht auf den Methoden des Nanoimprinting, welches hier auf metallische Werkstoffe angewandt wird. Experimentell wird hierzu ein flacher mit Kavitäten versehener Diamantstempel in die Oberfläche einer Metallprobe gepresst und Fließprozesse im Bereich der Kavitäten füh-ren zu einer Oberflächenstrukturierung. Die wissenschaftliche Fragestellung befasst sich mit der Thematik wie einzelne Körner oder auch Kornverbunde in Mikro-Kavitäten bei einem Pressfließvorgang fließen können. Dabei soll ein Multilängenskalen-Ansatz genutzt werden in welchem experimentell und durch Simulationen untersucht wird wie die Fließvorgänge von der Strukturgröße des Presswerkzeugs in Bezug auf die Korngröße des Werkstoffs bei unterschiedlichen Längenskalen abhängen. Durch eine systematische Variation von Korngröße, Schichtdicke sowie des Verfestigungsverhalten im Zusammenspiel mit den Kavitätsdimensionen werden die wissenschaftlichen Grundlagen zur Kontrolle des Mikrofließverhaltens auf unterschiedlichen Längenskalen gelegt. Ausgehend von nanokristallinen dünnen Schichten bis hin zu feinkörnigen Bulkproben soll dabei ein weiter Bereich an Korngrößen und Schichtdicken abgedeckt werden. Experimentell werden die Extrusionen hinsichtlich ihrer Höhe und auch hinsichtlich der Verformungsvorgänge unterhalb der Prozesszone (Versetzungsbewegung, Subkornbildung, Dehngradienten, Korngrenzgleiten, Kornrotation) mittels lichtoptischer und elektronenmikroskopischer Verfahren untersucht. Exemplarische in-situ Verformungsexperimente im Elektronenmikroskop sollen im Verbund mit Finite Elemente Simulationen neue Einblicke in die Plastizitätsprozesse liefern. Das Projekt bietet die Chance eine Systematik der Fließprozesse für unterschiedliche Verhältnisse von Korngröße zu Kavitätsbreite zu entwickeln und diese in eine Verformungsmechanismen-Karte für Mikrofließprozesse einfließen zu lassen. Die gewonnen Erkenntnisse können einen wichtigen Beitrag zur Metallplastizität auf der Nanoskala sowie die Grundlage für Anwendungen im Bereich der Oberflächenstrukturierung oder Erzeugung von Mikrobauteilen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen