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Investigations of the static and dynamic mechanical properties of nanostructured Cu and Cu-Al alloys processed by High-Pressure Torsion
Jelena Maria Horky
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Dr.-Studium der Naturwissenschaften Physik
Betreuer*in
Michael Zehetbauer
DOI
10.25365/thesis.38567
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29157.17348.602759-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Dissertation behandelt verschiedene Aspekte des mechanischen Verhaltens nanostrukturierter Materialien, die mittels Hochdruck-Torsion (HPT) hergestellt wurden. Außerdem werden unterschiedliche experimentelle Aufbauten vorgestellt, die zur Messung mechanischer Eigenschaften von Proben mit kleinen Dimensionen entwickelt wurden. Zugversuche an HPT Cu und Cu-Al-Legierungen und deren Analyse mithilfe der Taylor-Gleichung zeigen, dass die Festigkeit dieser Materialien in erster Linie der hohen Versetzungsdichte zuzuschreiben ist und nicht allein der limitierten Korngröße. Die Versetzungen befinden sich außerdem in einer spannungsarmen Anordnung, welche sich ihrerseits positiv auf die Duktilität auswirkt. Durch Vergleich mit Literaturdaten wird gezeigt, dass die Versetzungsanordnung, die hauptsächlich durch die Prozessparameter bestimmt wird, einen größeren Einfluss auf die Duktilität hat als andere Materialparameter wie die Stapelfehlerenergie oder die Dichte der Zwillingskorngrenzen. Weitere Experimente untersuchen das Wechselverformungsverhalten sowie das Ermüdungsrisswachstum in HPT Cu unterschiedlicher Reinheit bzw. thermischer Stabilität. Diese dynamischen mechanischen Eigenschaften werden außerdem an hochreinem HPT Cu mit einer bimodalen Korngrößenverteilung studiert. Die nanostrukturierten HPT Materialien zeigen durchwegs eine gegenüber dem unprozessierten grobkörnigen Zustand verbesserte zyklische Dauerfestigkeit. Allerdings wird diese in hochreinem HPT Cu durch eine bei hoher Lastwechselzahl auftretende Kornvergröberung stark beeinträchtigt. Andererseits ist das Ermüdungsrisswachstum in nanostrukturiertem HPT Cu erhöht, auch der Schwellwert des Spannungsintensitätsfaktors ist kleiner im Vergleich zu grobkörnigem Cu. Im Bereich sehr niedriger Risswachstumsraten kommt es auch hier zu einer Kornvergröberung im Bereich um die Rissspitze. Diese führt zu einer Verlangsamung des Risswachstums und tritt unabhängig von der Reinheit auf. Allerdings scheint ein bestimmtes Ausmaß an gespeicherter Energie, die mit einer bestimmten Dichte an Verformungsdefekten verbunden ist, Voraussetzung für dieses Verhalten zu sein.
Abstract
(Englisch)
This thesis deals with different aspects concerning the mechanical behaviour of nanostructured materials processed by High-Pressure Torsion (HPT). Furthermore, different experimental set-ups which have been developed to measure mechanical properties of small-scaled samples are presented. Tensile tests of HPT Cu and Cu-Al alloys and their analysis using the Taylor equation reveal that the strength of these materials is to be ascribed mainly to the high dislocation density, and not only to the limited grain size. Moreover, the dislocations are in a low-stress arrangement. It is shown that such an arrangement is beneficial for the ductility. A comparison with literature data reveals that the dislocation arrangement, which is mainly determined by the processing parameters, has more influence on the ductility than the stacking fault energy or the twin density of the material. Further experiments investigate cyclic deformation behaviour in the high cycle fatigue regime as well as crack growth in HPT Cu of different purity and thermal stability. These dynamic mechanical properties are also studied in a high purity HPT Cu with bimodal grain size distribution. Nanostructured HPT Cu generally shows an enhanced fatigue strength compared to its coarse grained counterpart. However, in case of high purity HPT processed material, grain coarsening at high number of loading cycles occurs which markedly deteriorates the fatigue strength. As concerns the fatigue crack growth rate, that of HPT Cu is increased compared to the coarse grained material. Also the threshold stress intensity factor range is lower. At low crack propagation rates, grain coarsening also occurs during crack growth near the crack tip. This phenomenon leads to a retardation of fatigue crack growth and takes place irrespective of the purity of the HPT material. However, a certain level of stored energy being connected to a certain density of deformation-induced defects seems to be a condition for this behaviour.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Cu Cu-Al Nanostructured High-Pressure Torsion Tensile strength Ductility Fatigue strength Fatigue crack growth Microstructural Stability Grain coarsening
Schlagwörter
(Deutsch)
Cu Cu-Al Nanostrukturiert Hochdruck-Torsion Zugfestigkeit Duktilität Wechselfestigkeit Ermüdungsrisswachstum Mikrostrukturelle Stabilität Kornvergröberung
Autor*innen
Jelena Maria Horky
Haupttitel (Englisch)
Investigations of the static and dynamic mechanical properties of nanostructured Cu and Cu-Al alloys processed by High-Pressure Torsion
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchungen der statischen und dynamischen mechanischen Eigenschaften von nanostrukturiertem Cu und Cu-Al-Legierungen hergestellt mittels Hochdruck-Torsion
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
VII, 141 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Reinhard Pippan ,
Alexey Vinogradov
Klassifikation
33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften, akustische Eigenschaften, thermische Eigenschaften
AC Nummer
AC12696809
Utheses ID
34165
Studienkennzahl
UA | 091 | 411 | |