ERC NanoHighSpeed

Übersicht

Bei dem ERC Projekt NanoHighSpeed sollen als erstes Messmethoden zur Untersuchung von Materialeigenschaften bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten entwickelt werden. Diese unterstützen bei der Entwicklung neuer Materialien, welche Belastungen bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten besser standhalten sollen. Auf lange Sicht ergeben sich so sicherheits- und umweltrelevante, sowie ökonomische Vorteile. Zur Untersuchung wird das Prinzip der Nanoindentation genutzt. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die Forschenden ermöglicht, mechanische Eigenschaften eines Werkstoffs im Maßstab von Nano- und Mikrometern zu messen. Allerdings ist sie aktuell nur dazu imstande, mechanische Eigenschaften bei niedrigen Belastungsgeschwindigkeiten zu bestimmen, nicht jedoch bei Einschlägen oder Kollisionen. Zurzeit können Forschende hohe Dehnungsgeschwindigkeiten nur bei großen, einheitlichen Proben reproduzieren. Das EU-finanzierte Projekt NanoHighSpeed zielt darauf ab, die Nanoindentation zu einem neuen Instrument für Experimente mit hohen Dehnungsgeschwindigkeiten weiterzuentwickeln – das Ganze mittels innovativer Hardware und neuartigen experimentellen Methoden. Das Ziel ist eine Charakterisierung von Werkstoffen bei Dehnungsgeschwindigkeiten, die Millionen Male höher sind, verglichen mit der konventioneller Nanoindentierung. Zusätzlich entsteht die Möglichkeit, Größenmaßstäbe zu untersuchen, welche Millionen Male kleiner sind, als aktuell durch vergleichbare makroskopische Methoden. Dadurch lassen sich vor allem dünne Materialsysteme bei großen Belastungsgeschwindigkeiten charakterisieren. Beispiele dafür sind der Aufschlag vom Smartphone-Display auf den Boden oder schnell drehende und beschichtete Werkzeuge wie Fräser und Bohrer, welche einer hohen Belastungsgeschwindigkeit ausgesetzt sind.

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Wissen bezüglich der Materialeigenschaften bei Hochgeschwindigkeitsverformungen ist aufgrund der experimentellen Herausforderungen kaum vorhanden. Dabei ist klar, dass die Geschwindigkeit einen deutlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben kann. Ein bekanntes Beispiel sind die krz Metalle, die einen spröd-duktil Übergang aufweisen. Dieser ist von der Temperatur, aber auch von der Dehnrate abhängig. Bei sehr hohen Dehnraten werden thermisch aktivierte Prozesse unterdrückt, wodurch beispielsweise auch Verzwillingung als Verformungsmechanismus auftreten kann. Allerdings fehlen Untersuchungen auf der Mikroskala, um Einflüsse der Mikrostruktur zu erforschen, oder dünne Beschichtungen zu testen. Mittels Nanoindentierung soll dies in diesem Projekt ermöglicht werden. Dazu wird ein „Ultra high strain rate“ Nanoindenter-Prototyp auf Basis eines Grundsystems der Firma Alemnis AG entwickelt, welcher Dehnraten von > 10⁵ s^-1 ermöglichen soll. In Kombination mit einer neuen Auswertemethode von Merle, Higgins und Pharr [1] werden kürzlich entdeckte Fehler, welche die klassische Oliver-Pharr Methode bei hohen Dehnraten mit sich bringt, vermieden. Diese neue Methode soll auf verschiedenste etablierte Experimente, wie zum Beispiel Mikrosäulendruckversuche oder sphärische Indentierung angewendet werden.

Referenzen

1. B. Merle, W.H. Higgins, G.M. Pharr. Extending the range of constant strain rate nanoindentation testing (2020) Journal of Materials Research, 35(4), pp. 343-352. https://doi.org/10.1557/jmr.2019.408