Im Rahmen dieser Masterarbeit werden zylindrische Mikropillars in eine polykristalline Kupferprobe mittels FIB geschnitten. Die Pillars haben unterschiedliche Durchmesser und sind alle im gleichen Korn mit der (001) Orientierung parallel zur Oberflächennormalen lokalisiert. Sie werden in einem Nanoindenter mit einer konischen Spitze bei unterschiedlichen Temperaturen von 0°C bis 140°C gebogen. Im Anschluss daran wird der Einfluss von der Temperatur und der Dehngeschwindigkeit auf der Größeneffekt genau analysiert.
Alle Ergebnisse von den Biegeversuchen werden mit REM-Bildern der verformten Proben korreliert, um Mechanismen über den Einfluss der genannten Faktoren auf die mechanischen Eigenschaften wie E-Modul und Fließspannung beschreiben zu können.
Die Entwicklung von fortschrittlichen Materialien für High-End-Anwendungen wird durch kontinuierliche Fortschritte in der Synthese und Steuerung der Materialmikrostruktur auf Sub-Mikrometer und Nanometer-Skalen angetrieben.
Die mechanischen Eigenschaften von Materialien verändern sich stark, wenn die Probenabmessungen kleiner als einige Mikrometer sind. Die kleinen Strukturen bieten außerdem die Möglichkeit zum direkten Vergleich zwischen Modellierung und Experiment.
Die Experimente liefern Daten für die Validierung von Modellen und die Modelle einen Weg für neue physikalisch basierte Vorhersagen des Materialverhaltens. Früher wurden die meisten Materialien nur makroskopisch untersucht, um die Kennwerte der jeweiligen Eigenschaften zu bestimmen. Zugversuche können durchgeführt werden, um die Elastizität des Materials zu untersuchen oder es bieten sich Kerbschlagbiegeversuche für die Untersuchung von Zähigkeitseigenschafen an.
Es zeigt sich, dass die makroskopischen Untersuchungen sinnvolle Ergebnisse liefern, dabei können jedoch die Eigenschaften der einzelnen Körner, wie Korngröße und Orientierung nur als Mittelwert berücksichtigt werden. Aber gerade diese Eigenschaften spielen auch eine wichtige Rolle und können die Ergebnisse stark beeinflussen. Daraus lässt sich folgern, dass eine Untersuchung im Mikrobereich ebenfalls essentiel ist, um makroskopische Eigenschaften zu verstehen. Dank der Forschung ist es heutzutage möglich die Eigenschaften eines Materials in Mikro- und Nanobereich zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Einleitung
- 2. Grundlagen
- 2.1. Kupfer:
- 2.1.1. Eigenschaften:
- 2.1.2. Anwendungen:
- 2.2. Oxidation von Kupfer bei niedrigen Temperaturen
- 2.3. Plastische Verformung bei Metallen
- 2.3.1. Versetzungsbewegung
- 2.3.2. Versetzungsgeschwindigkeit
- 2.3.3. Schmidsches Schubspannungsgesetz
- 2.3.4. Fließspannung als Funktion der Temperatur und der Dehngeschwindigkeit:
- 2.3.5. Größeneffekt
- 2.4. Nanoindentierung bei höheren Temperaturen:
- 2.5. Biegeversuche:
- 2.1. Kupfer:
- 3. Versuchsdurchführung:
- 3.1. Probenvorbereitung:
- 3.1.1. Mechanische Vorbereitung:
- 3.1.2. Wärmebehandlung:
- 3.1.3. Elektropolitur:
- 3.2. Charakterisierung
- 3.3. Herstellung von Mikropillars
- 3.3.1. Aufbauprinzip von FIB:
- 3.3.2. Funktionsprinzip:
- 3.3.3. FIB und REM:
- 3.4. Biegeversuche:
- 3.4.1. Heating Stage
- 3.4.2. Durchführung der Biegeversuch:
- 3.1. Probenvorbereitung:
- 4. Ergebnisse und Diskussion:
- 4.1. Ergebnisse:
- 4.1.1. Spannung Dehnung Kurven:
- 4.1.2. Einfluss auf der Fließspannung:
- 4.1.3. Einfluss auf E-Modul:
- 4.2. Korrelation mit den REM Bilder:
- 4.1. Ergebnisse:
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Ziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften (Fließspannung und E-Modul) von mikroskopischen Kupfer-Pillars. Dabei steht die Analyse des Größeneffekts im Vordergrund.
- Einfluss der Temperatur auf die Fließspannung von Kupfer-Mikropillars
- Einfluss der Dehngeschwindigkeit auf die Fließspannung von Kupfer-Mikropillars
- Größeneffekt auf die Fließspannung und den E-Modul
- Korrelation von experimentellen Ergebnissen mit REM-Bildern
- Berücksichtigung des Tapering-Effekts bei der FIB-Herstellung der Mikropillars
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Thematik der Materialforschung im Mikro- und Nanobereich ein und erläutert die Bedeutung der Untersuchung mechanischer Eigenschaften auf dieser Skala. Es wird auf die Besonderheiten von Kupfer als Werkstoff und die Herausforderungen bei der Untersuchung von Größeneffekten eingegangen. Die Arbeit selbst wird im Kontext bestehender Forschung positioniert und die Forschungsfrage der Arbeit wird formuliert.
2. Grundlagen: Dieses Kapitel liefert die notwendigen theoretischen Grundlagen für die experimentelle Arbeit. Es umfasst eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften von Kupfer, seiner Oxidation bei niedrigen Temperaturen und der plastischen Verformung von Metallen im Allgemeinen. Die Kapitel behandeln Versetzungsbewegungen, das Schmid’sche Schubspannungsgesetz, die Fließspannung als Funktion von Temperatur und Dehngeschwindigkeit und den Größeneffekt an Mikrostrukturen. Schließlich wird die Methode der Nanoindentierung bei höheren Temperaturen erklärt und die Prinzipien des Biegeversuchs erläutert.
3. Versuchsdurchführung: Dieses Kapitel beschreibt detailliert die experimentelle Vorgehensweise. Es wird auf die Probenvorbereitung (mechanisches und elektrolytisches Polieren, Wärmebehandlung), die Charakterisierung mittels REM und EBSD und die Herstellung der Mikropillars mittels FIB eingegangen. Der Aufbau und die Durchführung der Biegeversuche im Nanoindenter mit Heating Stage werden präzise dargestellt, inklusive Kalibrierungen und Messparametern. Die Maßnahmen zur Minimierung von Oxidationseffekten werden ebenfalls erläutert.
4. Ergebnisse und Diskussion (ohne Fazit): Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Biegeversuche und deren detaillierte Analyse. Es werden die Spannungs-Dehnungs-Kurven, der Einfluss von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die Fließspannung und den E-Modul diskutiert und die Korrelation mit den REM-Bildern hergestellt. Der Tapering-Effekt wird analytisch und mittels FEM-Simulation (Abaqus) untersucht und seine Auswirkungen auf die Ergebnisse korrigiert. Mögliche Mechanismen, die die beobachteten Effekte erklären, werden diskutiert.
Schlüsselwörter
Kupfer, Mikropillars, Biegeversuche, Hochtemperatur, Dehngeschwindigkeit, Fließspannung, E-Modul, Größeneffekt, FIB, REM, EBSD, Tapering-Effekt, Versetzungsbewegung, Nanoindentierung, Oxidationsbeständigkeit.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Masterarbeit: Einfluss von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften von Kupfer-Mikropillars
Was ist das Thema der Masterarbeit?
Die Masterarbeit untersucht den Einfluss von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften (Fließspannung und E-Modul) von mikroskopischen Kupfer-Pillars. Der Fokus liegt auf der Analyse des Größeneffekts.
Welche Ziele werden in der Arbeit verfolgt?
Die Arbeit zielt darauf ab, den Einfluss der Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die Fließspannung von Kupfer-Mikropillars zu bestimmen, den Größeneffekt auf Fließspannung und E-Modul zu analysieren, experimentelle Ergebnisse mit REM-Bildern zu korrelieren und den Tapering-Effekt bei der FIB-Herstellung der Mikropillars zu berücksichtigen.
Welche Kapitel umfasst die Arbeit?
Die Arbeit gliedert sich in vier Kapitel: Einleitung, Grundlagen, Versuchsdurchführung und Ergebnisse und Diskussion. Die Einleitung führt in die Thematik ein, die Grundlagen erläutern die theoretischen Hintergründe, die Versuchsdurchführung beschreibt die experimentelle Vorgehensweise detailliert und die Ergebnisse und Diskussion präsentieren und analysieren die gewonnenen Daten.
Welche Grundlagen werden im zweiten Kapitel behandelt?
Kapitel 2 behandelt die Eigenschaften von Kupfer, seine Oxidation bei niedrigen Temperaturen, die plastische Verformung von Metallen (Versetzungsbewegung, Schmid'sches Schubspannungsgesetz, Fließspannung als Funktion von Temperatur und Dehngeschwindigkeit, Größeneffekt), Nanoindentierung bei höheren Temperaturen und die Prinzipien des Biegeversuchs.
Wie wurde die Versuchsdurchführung gestaltet?
Kapitel 3 beschreibt die Probenvorbereitung (mechanische und elektrolytische Politur, Wärmebehandlung), die Charakterisierung mittels REM und EBSD, die Herstellung der Mikropillars mittels FIB (Fokussierte Ionenstrahl), den Aufbau und die Durchführung der Biegeversuche im Nanoindenter mit Heating Stage, inklusive Kalibrierungen und Maßnahmen zur Minimierung von Oxidationseffekten.
Welche Ergebnisse werden präsentiert und wie werden sie diskutiert?
Kapitel 4 präsentiert die Ergebnisse der Biegeversuche, darunter Spannungs-Dehnungs-Kurven und den Einfluss von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf Fließspannung und E-Modul. Die Korrelation mit REM-Bildern wird hergestellt, der Tapering-Effekt analysiert (analytisch und mittels FEM-Simulation mit Abaqus) und mögliche Mechanismen zur Erklärung der beobachteten Effekte werden diskutiert. Ein Fazit ist in diesem Auszug nicht enthalten.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Schlüsselwörter sind: Kupfer, Mikropillars, Biegeversuche, Hochtemperatur, Dehngeschwindigkeit, Fließspannung, E-Modul, Größeneffekt, FIB, REM, EBSD, Tapering-Effekt, Versetzungsbewegung, Nanoindentierung, Oxidationsbeständigkeit.
- Arbeit zitieren
- Atef Zekri (Autor:in), 2014, Biegeversuche an Kupfer-Mikropillars bei verschiedenen Temperaturen. Eine mikrotechnologische Untersuchung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/308904
