Influence of microstructure on the R-curve behaviour and fracture toughness of tungsten

Titel in Übersetzung: Einfluss der Mikrostruktur auf das R-Kurvenverhalten und die Bruchzähigkeit von Wolfram

Daniel Ernst Firneis

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Wolframproben mit unterschiedlicher Mikrostruktur auf ihre Bruchzähigkeit getestet und, wo möglich, eine Risswiderstandskurve (R-Kurve) aufgenommen. Diese unterschiedlichen Mikrostrukturen wurden bei Plansee SE (Reutte, Österreich) durch unterschiedlich hohe Umformgrade und den daraus resultierenden unterschiedlichen Probendicken in der Form von Wolframblechen und –folien verwirklicht. Hierfür wurde bei Plansee ein Wolframbarren durch einen mehrstufigen thermomechanischen Walzprozess geschickt und bei den gewünschten Probendicken von 1 mm, 0.5 mm und 0.2 mm jeweils Probenmaterial entnommen. Durch dieses Vorgehen konnten etwaige Einflüsse von variierender chemischer Zusammensetzung auf die mechanischen Eigenschaften ausgeschlossen werden. Das in dieser Diplomarbeit ebenfalls untersuchte 0.1 mm Material wurde auf der gleichen Prozessroute hergestellt, stammte jedoch aus einer anderen Wolframcharge. Da die zur Verfügung stehende Menge an Probenmaterial stark limitiert war, wurden zum Zwecke eines breiteren Probenspektrums und für die ersten Vorversuche noch 2 mm dicke Proben aus einem in größeren Mengen am Erich-Schmid-Institut verfügbaren Wolframblech gefertigt. Die Mikrostruktur der in dieser Arbeit getesteten Materialien wurde mittels Elektronenrückstreubeugung (EBSD) analysiert. Je höher der Umformgrad und somit je dünner die Proben, desto kleiner erwies sich die Korngröße und desto ausgeprägter die Textur. Für die Bruchzähigkeits- und R-Kurvenversuche wurde aus den zur Verfügung gestellten Materialien L-T Proben hergestellt und diese bei zwei unterschiedlichen Temperaturen getestet, nämlich bei Raumtemperatur (RT) und bei 200°C. Von jeder getesteten Probe wurde im Anschluss an die Bruchzähigkeitsversuche eine Aufnahme der Bruchflächen im Rasterelektronenmikroskop (SEM) erstellt. Bei RT war für die 2 mm Proben noch kein R-Kurvenverhalten feststellbar, bei 200 °C jedoch konnte bereits eine ausgeprägte R-Kurve aufgezeichnet werden. Mit Fortlaufen der Tests konnte bei RT mit abnehmender Probendicke eine Änderung des Bruchverhaltens festgestellt werden. Die 0.5 mm Probe zeigte bei RT und reduzierter Belastungsgeschwindigkeit bereits den Ansatz einer R-Kurve und damit einhergehend eine Veränderung im Bruchbild, nämlich einen Übergang von rein sprödem Bruch bei den zuvor untersuchten 2 mm Proben zu einem Mischbruch aus Delamination und anschließendem Sprödbuch bei den nunmehr untersuchten 0.5 mm Proben. Dies lässt darauf schließen, dass sich die spröd-duktil-Übergangstemperatur (DBTT) von Wolfram (W), die bei den 2 mm Proben bei ca. 200°C lag, bei den 0.5 mm Proben in Richtung RT verschoben hat. Alle nachfolgend getesteten dünneren Proben von 0.2 mm und 0.1 mm zeigten bereits bei RT ein R-Kurvenverhalten und zumindest anteilig Delamination. Die gemessenen Bruchzähigkeitswerte aller bei RT getesteten Proben befanden sich im Bereich von 50 bis 60 MPa√m, mit Ausnahme der 2 mm Proben, bei denen sie deutlich darunter bei ca. 16 MPa√m lagen. Die Erhöhung der Testtemperatur auf 200 °C führte bei den dickeren Proben (2 mm bis 0.5 mm) zu einer Steigerung der gemessenen Bruchzähigkeitswerte auf 56 bis 70 MPa√m, bei den 0.2 mm und 0.1 mm Proben konnte keine solche Steigerung beobachtet werden. Die größte Herausforderung dieser Arbeit lag darin Methoden zu entwickeln, die es überhaupt erst ermöglichen, Wolframproben mit so unterschiedlichen Dicken auf zumindest ähnliche Weise hinsichtlich Bruchzähigkeits- und R-Kurvenverhalten zu testen. Ob jetzt allein die feinere Mikrostruktur der Grund für die besseren bruchmechanischen Eigenschaften ist oder welchen Einfluss die abnehmende Probendicke hat (Stichwort: Probengrößeneffekt), bleibt noch ein Fall für weitere Diskussionen und Untersuchungen.
Titel in ÜbersetzungEinfluss der Mikrostruktur auf das R-Kurvenverhalten und die Bruchzähigkeit von Wolfram
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Eckert, Jürgen, Betreuer (intern)
  • Hohenwarter, Anton, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung1 Juli 2020
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Wolfram
  • Bruchzähigkeit
  • R-Kurve
  • Mikrostruktur
  • DCPM

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