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:
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:
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:
4.2.1. Einfluss von der Temperatur:
4.2.2. Einfluss von der Dehngeschwindigkeit
5. Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das mechanische Verhalten von zylindrischen Mikropillars aus polykristallinem Kupfer, die mittels Focused Ion Beam (FIB) hergestellt wurden. Das primäre Ziel ist es, den Größeneffekt sowie den Einfluss von Temperatur (0°C bis 140°C) und Dehngeschwindigkeit auf die Fließspannung und das E-Modul zu analysieren und mit REM-Aufnahmen zu korrelieren.
- Untersuchung des Größeneffekts bei der Verformung von Mikropillars.
- Einfluss der Temperatur auf Fließspannung und Elastizitätsmodul.
- Analyse der Dehngeschwindigkeitsempfindlichkeit bei variierenden Temperaturen.
- Korrektur von fertigungsbedingten Effekten wie dem Tapering durch analytische Methoden und Simulationen.
Auszug aus dem Buch
2.3.5. Größeneffekt
In einem Kristall, der schon Versetzungen enthält, ist eine energetische Barriere zu überwinden, damit eine plastische Verformung auftritt. Die Höhe dieser Barriere ist von der Art und Anzahl der im Kristall vorhandenen Hindernisse abhängig. Die Wechselwirkung zwischen den Versetzungen und diesen Hindernissen führt zum Größeneffekt.
Diese Hindernisse können Fremdatome und Korngrenzen sein, aber auch die geometrische Dimension der zu untersuchenden Probe spielt eine Rolle.
Viele Untersuchungen haben sich mit diesem Effekt beschäftigt, um ihn zu erklären. Der Größeneffekt wurde bei Torsion[32], bei Nanoindentation[33] und bei Biegung[41] beobachtet. Es wurden verschiedene Modelle vorgeschlagen, um die Ursache dieses Effekts zu erklären. Allerdings ist der Mechanismus, welcher diesen Größeneffekt verursacht, immer noch nicht bestätigt worden. Das älteste Modell ist die „strain gradient plasticity“ [34, 35, 36,37]. Dieses Modell wurde oft als der verantwortliche Mechanismus für diesen Effekt genannt.
Ungleichmäßige Verformung erfordert die Speicherung von geometrisch notwendigen Versetzungen GNDs in dem Kristall, was einen lokalen „strain gradient“ verursacht. Dieser strain gradient ist mit der Dichte von GNDs durch die Gleichung Gl.15 verbunden[38]:
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Untersuchung von Materialeigenschaften auf Mikro- und Nanoskala und führt in das Phänomen der Größeneffekte ein.
2. Grundlagen: Vermittelt theoretische Kenntnisse über Kupfer, plastische Verformung, Versetzungsmechanismen, Nanoindentierung und Biegeversuche.
3. Versuchsdurchführung: Erläutert detailliert die Probenvorbereitung, die Herstellung der Mikropillars via FIB sowie das experimentelle Setup für die Biegeversuche.
4. Ergebnisse und Diskussion: Präsentiert die gewonnenen Daten zu Fließspannung und E-Modul, diskutiert deren Abhängigkeiten und korreliert diese mit REM-Bildern und Simulationen.
5. Fazit und Ausblick: Führt die zentralen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt Hinweise auf mögliche weiterführende Untersuchungen unter verbesserten Bedingungen.
Schlüsselwörter
Mikropillars, Kupfer, Größeneffekt, Biegeversuch, Fließspannung, E-Modul, FIB, Nanoindentierung, Versetzungsbewegung, Tapering-Effekt, Temperaturabhängigkeit, Dehngeschwindigkeit, Strain Gradient Plasticity, REM, Kristallorientierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die Untersuchung mechanischer Eigenschaften von Kupfer-Mikropillars unter variierenden thermischen und mechanischen Bedingungen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Felder sind die Materialwissenschaft von Kupfer, insbesondere der Größeneffekt bei der Verformung kleinster Strukturen sowie die experimentelle Bestimmung von Fließspannung und E-Modul.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Analyse der Einflüsse von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die mechanischen Eigenschaften von Mikropillars und die Korrelation der Ergebnisse mit mikroskopischen Aufnahmen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es wurden Biegeversuche an Mikropillars durchgeführt, kombiniert mit FIB-Präparation, REM-Analysen zur Charakterisierung und FEM-Simulationen zur Datenkorrektur.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der theoretischen Herleitung, der experimentellen Methodik, der Durchführung der Versuche sowie der detaillierten Auswertung der Ergebnisse hinsichtlich Temperatur- und Größeneffekten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich vor allem durch Begriffe wie Mikropillars, Kupfer, Größeneffekt, FIB-Präparation und Temperaturabhängigkeit definieren.
Warum spielt der "Tapering-Effekt" eine Rolle bei der Auswertung?
Da der FIB-Schnitt die Geometrie der Pillars nicht perfekt zylindrisch, sondern leicht kegelförmig gestaltet, muss dies bei der Berechnung des E-Moduls rechnerisch korrigiert werden, um präzise Ergebnisse zu erhalten.
Warum wurde Kupfer als Untersuchungsmaterial gewählt?
Kupfer dient aufgrund seiner kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur und seiner guten Verarbeitbarkeit als idealer Modellwerkstoff für grundlegende Untersuchungen der plastischen Verformung auf kleinster Skala.
- Quote paper
- Atef Zekri (Author), 2014, Biegeversuche an Kupfer-Mikropillars bei verschiedenen Temperaturen. Eine mikrotechnologische Untersuchung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/308904
