Beitrage zum Stand von Theorie und Experiment in der Versetzungsforschung [Reprint 2021 ed.] 9783112583128, 9783112583111

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Sitzungsberichte des Plenums und der Klassen der Akademie der Wissenschaften der DDR

B.Pegel/A.Luft

Beiträge zum Stand von Theorie und Experiment in der Versetzungsforschung

AKADEMIE-VERLAG - BERLIN

Sitzungsberichte des Plenums und der Klassen der Akademie der Wissenschaften der D D R

Jahrgang 1973 • Nr. 9

B. Pegel

WERKSTOFFORSCHUNG UND V E R S E T Z U N G S T H E O R I E A. Luft

AKTUELLE P R O B L E M E DER EXPERIMENTELLEN VERSETZUNGSFORSCHUNG — Zwei Vorträge —

AKADEMIE-VERLAG - BERLIN 1973

Vorträge gehalten von Dr. rer. nat. habil. B e r t Pegel und Dr. rer. nat. Arnliold L u f t in der Sitzung der Klasse „Grundlagen der Werkstoffe und ihrer Anwendungen"

(Leiter: Werner

Lange, Ordentliches Mitglied der Akademie der

Wissenschaften der D D R ) am 12. Oktober 1972

Herausgegeben im Auftrage des Präsidenten der Akademie der Wissenschaften der D D R von Vizepräsident Prof. Dr. Heinrich Scheel

Erschienen im Akademie-Verlag, 108 Copyright 1973 by Akademie-Verlag, Lizenznummer: 202 • 100/603/73 Herstellung: IV/2/14 V E B Druckerei 445 Gräfenhain!chen/DDR • 4195 Bestellnummer: 7 6 1 9 5 6 4 (2010/73/9) Printed in GDR KVI' 3, -

Berlin, Leipziger Str. 3—4 Berlin »Gottfried Wilhelm Leibniz• L S V 3015

Inhaltsverzeichnis

BERT PEGEL

Werkstofforschung und Versetzungstheorie

ABNHOLD L U F T

Aktuelle Probleme der experimentellen Versetzungsforschung . . . .

B . PEGEL

Werkstofforschung und Versetzungstheorie

1. Der

Hintergrund

Wenn man den Stand und die Perspektiven eines Forschungsgebietes beurteilen will, kann man von den Gesichtspunkten „was kann getan werden" oder „was muß getan werden" ausgehen. Dabei ergibt sich, daß das, was getan werden kann, im Hinblick auf eine praktische Nutzbarmachung oll uninteressant ist, während das, was im Hinblick auf bestimmte technische Zielstellungen getan werden muß, nur unvollkommen und mehr schlecht als recht behandelt werden kann. In diesem Vortrag soll die Versetzungsforschung unter dem zweiton Gesichtspunkt auf dem Hintergrund und als Teilgebiet der gezielten Grundlagenforschung zu den metallischen, kompakten Konstruktionswerkstollen betrachtet werden. Die allgemeine technische und ökonomische Zielstellung der Forschung auf dem Gebiet dieser Werkstoffe besteht darin, durch bestimmte „Behandlungen" B Werkstoffe mit bestimmten erwünschten „Eigenschaften" E zu erzeugen. Wir stellen diesen Sachverhalt schematisch folgendermaßen dar:

B

>E

(«) Unter B sollen ganz allgemein sowohl metallurgische Prozesse (Schmelzen, Legieren, Walzen, thcrmomechanischc Behandlungen usw.) als auch Umformprozesse (Kaltstauchen, Kaltfließpressen usw.) verstanden werden. E repräsentiert die für mechanische Konstruktionen interessanten Malerialkenngrößen (Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit usw.). Logisch sind zwei Wege zur Ermittlung und Beherrschung der Relation (a) möglich: 1. Direkte, empirische Bestimmung der Relation (a). Obgleich dieser Weg dem gegenwärtigen Trend zur wissenschaftlichen Durchdringung von Sachverhalten offenbar nicht entspricht, sollte geprüft werden, ob er nicht doch auf lange Sicht praktikabel und rationell ist. Natürlich müssen dabei die Möglichkeiten der Kultivierung einer empirisch orientierten Forschung be-

B . PEGEL

Werkstofforschung und Versetzungstheorie

1. Der

Hintergrund

Wenn man den Stand und die Perspektiven eines Forschungsgebietes beurteilen will, kann man von den Gesichtspunkten „was kann getan werden" oder „was muß getan werden" ausgehen. Dabei ergibt sich, daß das, was getan werden kann, im Hinblick auf eine praktische Nutzbarmachung oll uninteressant ist, während das, was im Hinblick auf bestimmte technische Zielstellungen getan werden muß, nur unvollkommen und mehr schlecht als recht behandelt werden kann. In diesem Vortrag soll die Versetzungsforschung unter dem zweiton Gesichtspunkt auf dem Hintergrund und als Teilgebiet der gezielten Grundlagenforschung zu den metallischen, kompakten Konstruktionswerkstollen betrachtet werden. Die allgemeine technische und ökonomische Zielstellung der Forschung auf dem Gebiet dieser Werkstoffe besteht darin, durch bestimmte „Behandlungen" B Werkstoffe mit bestimmten erwünschten „Eigenschaften" E zu erzeugen. Wir stellen diesen Sachverhalt schematisch folgendermaßen dar:

B

>E

(«) Unter B sollen ganz allgemein sowohl metallurgische Prozesse (Schmelzen, Legieren, Walzen, thcrmomechanischc Behandlungen usw.) als auch Umformprozesse (Kaltstauchen, Kaltfließpressen usw.) verstanden werden. E repräsentiert die für mechanische Konstruktionen interessanten Malerialkenngrößen (Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit usw.). Logisch sind zwei Wege zur Ermittlung und Beherrschung der Relation (a) möglich: 1. Direkte, empirische Bestimmung der Relation (a). Obgleich dieser Weg dem gegenwärtigen Trend zur wissenschaftlichen Durchdringung von Sachverhalten offenbar nicht entspricht, sollte geprüft werden, ob er nicht doch auf lange Sicht praktikabel und rationell ist. Natürlich müssen dabei die Möglichkeiten der Kultivierung einer empirisch orientierten Forschung be-

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BEET PEGEL

rücksichtigt werden. Diese Möglichkeiten bestehen vor allem im E i n s a t z moderner Formen der Informationsspeicherung und -abfrage zur Bewältigung des umfangreichen empirischen Materials sowie in der gezielten Gewinnung neuen empirischen Materials mit modernen Methoden der Versuchsplanung und der mathematisch-statistischen Dateninterpretation. Eine unvoreingenommene Prüfung der Situation wird sicherlich durch den gegenwärtig global vorherrschenden Trend in der Werkstofforschung und eine gewisse, traditionsbedingte Mentalität der Werkstofforseher ersehwert. 2. Die zweite Möglichkeit besteht in der logischen Aufspaltung der Relation (a) mit Hilfe des Begriffes „ S t r u k t u r " S, durch die sowohl die empirische Vielfalt überschaubar gemacht werden soll ( „ S t r u k t u r " als Ordnungsschema oder Rationalisierungsmittel), als auch eine erkenntnistheoretische Durchdringung der Relation (a) ermöglicht wird. Wir stellen diesen Weg durch das Schema

B

>S (ai)

*E («2)

dar, in dem die vom Zweck her eigentlich interessierende Relation (a) aufgespalten wird in die beiden Relationen: ( a j ) : Welche Behandlungen erzeugen welche Strukturen? (er2): Welche Strukturen bestimmen welche Eigenschaften? Beide Relationen müssen in Anbetracht des heuligen S t a n d e s der Theorie im wesentlichen experimentell ermittelt werden. Zur allgemeinen Charakterisierung der mit dem zweiten Weg verbundenen Probleme soll jetzt etwas näher auf den Begriff „ S t r u k t u r " eingegangen werden, der zunächst in einem umgangssprachlich-verschwommenen Sinne gebraucht wurde: a) Wir unterscheiden etwa drei verschiedene Strukturebenen, nämlich die Makrostruktur, Mikrostruktur und Elektronenstruklur, wobei unter Makrostruktur — etwas unscharf umrissen — die mit den Methoden der Metallographie lichtoptisch erfaßbaren strukturellen Details verstanden werden sollen, während die Mikrostruktur den elektronenoplisch erfaßbaren Strukturbereich umfaßt. Insbesondere gehört die Versetzungsstruktur zum mikrostrukturellen Bereich. b) Die Relationen (a t ) und (a 2 ) können nicht von einer sozusagen fundamentalen Strukturebene her verstanden werden. Vielmehr bestehen viele und sehr komplexe Wechselbeziehungen zwischen den Strukturebenen. Beispielsweise kann der Einfluß von Legierungselementen sowohl über die ElektronenStruktur (Elektronenstruktur — Stapelfehlerenergie — Versetzungsbeweglichkeit — Plastizität) als auch über die Makrostruktur (Korngrenzensegregation —

Werkstofforscliung und Versetzungstlieorie

7

K o r n g r e n z e n f e s t i g k e i t — P l a s t i z i t ä t ) auf die p l a s t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n v o n W e r k s t o f f e n erfolgen. c) Die M a k r o - u n d M i k r o s t r u k t u r e n sind keine e c h t e n G l e i c h g e w i c h t s S t r u k t u r e n u n d lassen sich n i c h t h i e r a r c h i s c h o r d n e n (im S i n n e einer p h y s i k a l i s c h e n o d e r k a u s a l e n H i e r a r c h i e ) . D a m i t e r g i b t sich eine g r o ß e Vielfalt m ö g l i c h e r S t r u k t u r e n bei m a n g e l n d e r logischer O r d n u n g . d) Wie schon in b) a n g e d e u t e t , b e s t i m m t e r s t d a s k o m p l e x e Z u s a m m e n s p i e l d e r v e r s c h i e d e n s t e n S t r u k t u r e l e m e n t e die E i g e n s c h a f t e n eines W e r k s t o l f e s . D a m i t wird dieser a b e r zu e i n e m „ d i f f u s e n S y s t e m " , d a s m i t einer klassischen E x p e r i m e n t i e r p h i l o s o p h i e , die die Möglichkeit d e r K o n t r o l l e aller E i n f l u ß faktoren voraussetzt, ü b e r h a u p t nicht m e h r rationell angegangen werden k a n n . Diese E i n s i c h t f i n d e t u n t e r M e t a l l p h y s i k e r n u n d W e r k s t o f f k u n d l e r n a n s c h e i n e n d n u r sehr z ö ög e r n d E i n Og a n gO . e) E s ist u n b e k a n n t , wie die M i k r o s t r u k t u r , speziell a u c h die V e r s e t z u n g s s t r u k t u r , ü b e r h a u p t q u a n t i t a t i v zu b e s c h r e i b e n ist. E s h e r r s c h e n q u a l i t a t i v v e r b a l e B e s c h r e i b u n g s f o r m e n v o r . A u c h g i b t es z. Z. n u r sehr allgemeine V o r s t e l l u n g e n d a r ü b e r , welche P a r a m e t e r d e r V e r s e t z u n g s s t r u k t u r als i n n e r e Z u s t a n d s v a r i a b l e einer m i k r o s t r u k t u r e l l b e g r ü n d e t e n Plastizitätstheorie m a ß g e b e n d sind. S e l b s t die a l l g e m e i n e n m a t h e m a t i s c h e n S t r u k t u r e n v o n P l a s t i z i t ä t s t h e o r i e n m i t i n n e r e n Z u s t a n d s v a r i a b l e n sind n o c h u m s t r i t t e n u n d a k t u e l l e r F o r s c h u n Og sDg Oe g e n s t a n d .

2. Die Situation

der

Theorie

Mit den l e t z t e n B e m e r k u n gD e n ist bereits einiges z u r L a gOe d e r T h e o r i e a n O g e k l u n g e n . I m w e i t e r e n sollen hierzu n o c h einige B e m e r k u n g e n a l l g e m e i n e r e r Art gemacht werden. I m R a h m e n d e r g e s c h i l d e r t e n G e s a m t s i t u a t i o n ist klar, d a ß allein v o n d e r V e r s e t z u n g s e b e n e h e r kein technisches P r o b l e m gelöst w e r d e n k a n n . I m m e r hin sind a b e r die V e r s e t z u n g e n als e l e m e n t a r e T r ä g e r d e r P l a s t i z i t ä t die sozusagen n a t ü r l i c h e u n t e r s t e S t r u k t u r e b e n e f ü r d a s V e r s t ä n d n i s d e r m e c h a n i s c h c n E i g e n s c h a f t e n k r i s t a l l i n e r W e r k s t o f f e u n d spielen als solche eine a u s g e z e i c h n e t e Holle. F ü r die S i t u a t i o n d e r V e r s e t z u n g s t h e o r i c ist folgendes c h a r a k t e r i s t i s c h : a) E s ist nicht d a m i t zu r e c h n e n , d a ß die E n t w i c k l u n g k o m p l e x e r (und t e c h n i s c h i n t e r e s s a n t e r ) V e r s e t z u n g s s t r u k t u r e n auf d e r Basis e l e m e n t a r e r Weehselwirkungsprozesse der Versetzungen untereinander und mit anderen S t r u k t u r e l e m e n t e n s y n t h e t i s c h v e r s t a n d e n u n d b e h e r r s c h t wird. b) Die Vielfalt d e r m ö g l i c h e n E l c m e n t a r p r o z e s s c ist so groß u n d u n ü b e r sichtlich, d a ß es f ü r i n t e g r a l e m a k r o s k o p i s c h e E f f e k t e i. a. viele s p e k u l a t i v e D e u t u n g s m ö g l i c h k c i t c n u n d Modelle g i b t .

8

BERT PEGEL

c) Plastizität ist ein inhärent äußerst komplexes Phänomen. Deshalb sind mikrostrukturell begründete konstitutive Materialgesetze notwendig kompliziert und für praktische ingenieurtechnische Probleme (z. B . Analyse von Konstruktionen und Umformprozessen) nicht anwendbar, selbst wenn man die Revolution der Rechentechnik berücksichtigt. Daher ist auch nicht abzusehen, welche Richtung die Entwicklung der Plastizilätstheorie nehmen wird. d) Ein wirklich entscheidender Durchbruch der Theorie wäre zu erwarten, wenn es gelingt, kollektive Versetzungsbewegungen und -Vervielfachungen auf neuartige Weise quantitativ zu behandeln. Als erster Schritt hierzu muß wahrscheinlich eine systematische Korrelationsanalyse der Elemente der Versetzungsstruktur (lokale Strukturelemente sowie Charakteristika der Versetzungsverteilung) während ihrer dynamischen Evolution erfolgen. Trotz dieser unbefriedigenden Situation auf theoretischem Gebiet ist das experimentelle Studium der Versetzungsstruktur ein fruchtbares Hilfsmittel zur Hervorbringung heuristischer Ideen und Arbeitshypothesen über die mikrostrukturellen Ursachen von Materialeigenschaften sowie damit verbunden zur Entstehung von Ideen zur gezielten Beeinflussung von Materialkenngrößen. So sollte es beispielsweise möglich sein, durch Erzeugung einer Versetzungszellstruktur (bei der die Versetzungen vorwiegend in sog. Zellwänden mit hoher Dichte konzentriert sind) gleichzeitig die Festigkeit und die Zähigkeit metallischer Werkstoffe zu steigern. Insgesamt wird die Versetzungsforschung bis auf weiteres im Stadium einer im wesentlichen intuitionsgeleiteten Erfahrungs- und Materialsammlung verbleiben müssen. Abschließend sei bemerkt, daß die Versetzungen, obgleich ursprünglich zur Erklärung des Phänomens „Kristallplastizität" eingeführt, wie jede fundamentale Konzeption und Entdeckung, ein weites Feld neuer Denkmöglichkeiten und praktischer Anwendungen auch und vielleicht gerade in anderen Gebieten erschlossen haben, von denen hier nur einige aufzählungsweise genannt seien: Kristallwachstum, Supraleiter zweiter Art, Magnetismus, Grenzflächenstrukturen, elektrische Effekte in Halbleitern.

A. LUFT

Aktuelle Probleme der experimentellen Versetzungsforschung

1. Das Grundproblem

der

Konstruktionswerkstoffe

Die K e n n t n i s s e ü b e r die E i go e n s c h a f t e n v o n E i n z e l v e r s e t z u n gOe n u n d V e r s c t z u n g s k o l l e k t i v e n u n d deren R o l l e bei den V e r f o r m u n g s - u n d

Bruchvor-

g ä n g e n der K o n s t r u k t i o n s w e r k s t o f f e , speziell der M e t a l l e , werden in i m m e r g rößerem O

U m f a n gD zur OL ö s u n g t e c h n i s c h w i c h t i g e r FOr a g e s tDe l l u n gOe n

heran-

gezogen. A k t u e l l e P r o b l e m e resultieren aus dem s t ä n d i g e n B e m ü h e n , W e r k stoffe m i t v e r b e s s e r t e n

oder n e u a r t i g e n

Eigenschaften

zu e n t w i c k e l n

ihren E i n s a t z in der T e c h n i k zu g e w ä h r l e i s t e n . Auf dem G e b i e t der struktionswerkstoile

b e s t e h t zum

B e i s p i e l die F o r d e r u n g ,

Werkstoffe

und Konmit

h ö h e r e n als b i s h e r ü b l i c h e n F e s t i g k e i t e n e i n z u s e t z e n , weil d a m i t die aus v o l k s wirtschaftlichen

Gründen

notwendige

Senkung

des spezifischen

Matcrial-

e i n s a t z e s e r r e i c h t werden k ö n n t e . H ö h e r f e s t e S t ä h l e , e t w a im S t r e c k e n g r e n z e n b e r e i c h zwischen 5 0 kp/mm 2 u n d 1 0 0 kp/mm 2 u n d d a r ü b e r , b e s i t z e n j e d o c h den g r o ß e n N a c h t e i l , d a ß ihre B r u c h a n f ä l l i g k e i t a u ß e r bei s t a t i s c h e r b e s o n d e r s bei d y n a m i s c h e r B e l a s t u n g viel g r ö ß e r ist als die der h e r k ö m m l i c h e n

Stähle,

so d a ß d e r K o n s t r u k t e u r den G e w i n n an s t a t i s c h e r F e s t i g k e i t g a r n i c h t voll ausnutzen kann. D e r E i n f l u ß des F e s t i g k e i t s n i v e a u s a u f das V e r f o r m u n g s - u n d B r u c l i v e r h a l t e n v o n B a u s t ä h l e n i s t aus B i l d l a e r s i c h t l i c h . M i t z u n e h m e n d e r F e s t i g k e i t n i m m t die V e r f o r m b a r k e i t s t a r k a b . B e i h o h e n F e s t i g k e i t e n wird im d y n a m i s c h e n Z u g v e r s u c h die M a x i m a l l a s t b e r e i t s n a c h s e h r k l e i n e n

plastischen

D e h n u n g e n e r r e i c h t . A u ß e r d e m wird n a c h dem Ü b e r s c h r e i t e n der

Streck-

grenze n u r eine sehr kleine V e r f e s t i g u n g b e o b a c h t e t , so d a ß das V e r h ä l t n i s Streckgrenze/Zugfestigkeit

f a s t den W e r t

1 a n n i m m t . I n f o l g e des M a n g e l s

a n i n n e r e n F e s t i g k e i t s r e s e r v e n k a n n d a h e r eine u n e r w a r t e t e

Uberbelastung

eines B a u t e i l e s aus h ö h e r f e s t e m S t a h l g e n e r e l l z u m B r u c h f ü h r e n . W e s e n t l i c h g ü n s t i g e r v e r h a l t e n sich n o r m a l f e s t e S t ä h l e , weil sie sich s t ä r k e r p l a s t i s c h verformen

lassen

und

sich

dabei

beträchtlich

verfestigen.

Festigkcitszuwachs während der plastischen Verformung gesehene eintritt.

Uberbelastungen

abgefangen

werden,

ohne

D u r c h diesen

können unvorher-

d a ß s o f o r t der B r u c h

A. LUFT

Aktuelle Probleme der experimentellen Versetzungsforschung

1. Das Grundproblem

der

Konstruktionswerkstoffe

Die K e n n t n i s s e ü b e r die E i go e n s c h a f t e n v o n E i n z e l v e r s e t z u n gOe n u n d V e r s c t z u n g s k o l l e k t i v e n u n d deren R o l l e bei den V e r f o r m u n g s - u n d

Bruchvor-

g ä n g e n der K o n s t r u k t i o n s w e r k s t o f f e , speziell der M e t a l l e , werden in i m m e r g rößerem O

U m f a n gD zur OL ö s u n g t e c h n i s c h w i c h t i g e r FOr a g e s tDe l l u n gOe n

heran-

gezogen. A k t u e l l e P r o b l e m e resultieren aus dem s t ä n d i g e n B e m ü h e n , W e r k stoffe m i t v e r b e s s e r t e n

oder n e u a r t i g e n

Eigenschaften

zu e n t w i c k e l n

ihren E i n s a t z in der T e c h n i k zu g e w ä h r l e i s t e n . Auf dem G e b i e t der struktionswerkstoile

b e s t e h t zum

B e i s p i e l die F o r d e r u n g ,

Werkstoffe

und Konmit

h ö h e r e n als b i s h e r ü b l i c h e n F e s t i g k e i t e n e i n z u s e t z e n , weil d a m i t die aus v o l k s wirtschaftlichen

Gründen

notwendige

Senkung

des spezifischen

Matcrial-

e i n s a t z e s e r r e i c h t werden k ö n n t e . H ö h e r f e s t e S t ä h l e , e t w a im S t r e c k e n g r e n z e n b e r e i c h zwischen 5 0 kp/mm 2 u n d 1 0 0 kp/mm 2 u n d d a r ü b e r , b e s i t z e n j e d o c h den g r o ß e n N a c h t e i l , d a ß ihre B r u c h a n f ä l l i g k e i t a u ß e r bei s t a t i s c h e r b e s o n d e r s bei d y n a m i s c h e r B e l a s t u n g viel g r ö ß e r ist als die der h e r k ö m m l i c h e n

Stähle,

so d a ß d e r K o n s t r u k t e u r den G e w i n n an s t a t i s c h e r F e s t i g k e i t g a r n i c h t voll ausnutzen kann. D e r E i n f l u ß des F e s t i g k e i t s n i v e a u s a u f das V e r f o r m u n g s - u n d B r u c l i v e r h a l t e n v o n B a u s t ä h l e n i s t aus B i l d l a e r s i c h t l i c h . M i t z u n e h m e n d e r F e s t i g k e i t n i m m t die V e r f o r m b a r k e i t s t a r k a b . B e i h o h e n F e s t i g k e i t e n wird im d y n a m i s c h e n Z u g v e r s u c h die M a x i m a l l a s t b e r e i t s n a c h s e h r k l e i n e n

plastischen

D e h n u n g e n e r r e i c h t . A u ß e r d e m wird n a c h dem Ü b e r s c h r e i t e n der

Streck-

grenze n u r eine sehr kleine V e r f e s t i g u n g b e o b a c h t e t , so d a ß das V e r h ä l t n i s Streckgrenze/Zugfestigkeit

f a s t den W e r t

1 a n n i m m t . I n f o l g e des M a n g e l s

a n i n n e r e n F e s t i g k e i t s r e s e r v e n k a n n d a h e r eine u n e r w a r t e t e

Uberbelastung

eines B a u t e i l e s aus h ö h e r f e s t e m S t a h l g e n e r e l l z u m B r u c h f ü h r e n . W e s e n t l i c h g ü n s t i g e r v e r h a l t e n sich n o r m a l f e s t e S t ä h l e , weil sie sich s t ä r k e r p l a s t i s c h verformen

lassen

und

sich

dabei

beträchtlich

verfestigen.

Festigkcitszuwachs während der plastischen Verformung gesehene eintritt.

Uberbelastungen

abgefangen

werden,

ohne

D u r c h diesen

können unvorher-

d a ß s o f o r t der B r u c h

Aenholb Luft

10

u

50 . 700 Zugfestigkeit (fjfj/kpmm

a)

2

750

200

Bild 1. a) Einfluß der Zugfestigkeit a m auf die Höhe der Sti'cckgrenzenspannung a s von Stählen und auf die Dehnung, bei der im Zugversuch Maxiinallast erreicht wird D i e K e r b s c h l a g z ä h i g k e i t u n d ihre T e m p e r a t u r a b h ä n g i g k e i t werden e b e n falls m a r k a n t Festigkeiten

vom

Festigkeitsniveau

beeinflußt

i s t die K e r b s c h l a g z ä h i g k e i t

(Bild

ib).

Bei

niedrigen

stark temperaturabhängig,

wobei

sie e i n e n c h a r a k t e r i s t i s c h e n U b e r g a n g v o n e i n e r s o g e n a n n t e n T i e f l a g e zu e i n e r H o c h l a g e a u f w e i s t . O b e r h a l b der k r i t i s c h e n U b e r g a n g s t e m p e r a t u r v e r h a l t e n sich s o l c h e S t ä h l e d u k t i l , u n d der K o n s t r u k t e u r nicht

zu b e f ü r c h t e n .

charakteristische

Bei

hohen

Übergang,

weiten Temperaturbereich

und

Festigkeiten die

braucht

den

verschwindet

Kerbschlagzähigkeit

Sprödbrueh

jedoch

bleibt

dieser

in

k l e i n . H i e r a u s f o l g t als H a u p t p r o b l e m

einem

für

E i n s a t z h ö h e r f e s t e r S t ä h l e , d a ß ein w i r k s a m e r W i d e r s t a n d gegen

den

schnelle

R i ß a u s b r e i t u n g gewährleistet werden m u ß . F ü r die B e u r t e i l u n g der s i c h e r e n E i n s a t z m ö g l i e h k e i t e n l i ö h e r f e s t e r S t ä h l e i s t v o n b e s o n d e r e r B e d e u t u n g , d a ß die E r h ö h u n g der F e s t i g k e i t

bezüglich

s t a t i s c h e r B e l a s t u n g in der R e g e l nicliL m i t e i n e r e n t s p r e c h e n d e n

Erhöhung

der Wechselfestigkeit einhergeht.

D a f a s t alle K o n s t r u k t i o n e n

einer

ther-

mischen oder dynamischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt sind, erfordert die F r a g e

der R i ß a u s b r e i t u n g

unter

diesen

Bedingungen

ganz

besondere

Beachtung. N o c h k o m p l i z i e r t e r wird das E r s c h e i n u n g s b i l d ,

wenn spezifische

b u n g s e i n f l ü s s e in die B e t r a c h t u n g e i n b e z o g e n w e r d e n , da sie das

Umge-

Bruchgc-

11

Experimentelle Versetzungsforschung

75

0

-750

b)

-WO

-50 Temperatur/"C

0

50

Bild 1. b) Temperaturabhüngigkeit der Kcrbsclilagzäbigkeit von Stühlen unterschiedlicher Festigkeit. Angegeben ist jeweils die

Streckgrenzenspaniumg

in

kp/MM2

(J.

H.

GROSS,

Trans. A S M E , Nov. 1971, 962)

schellen s t a r k beeinflussen k ö n n e n . Hierbei k a n n z. B . bereits die F e u c h t i g k e i t der L u i t eine wesentliche R o l l e spielen. D i e s e k u r z e n A n d e u t u n g e n sollen g e n ü g e n , u m zu zeigen, d a ß d a s Cirundp r o b l e m der K o n s t r u k t i o n s w e r k s t o l l e in der O p t i m i e r u n g d e r g e g e n l ä u f i g e n E i g e n s c h a f t e n F e s t i g k e i t u n d Z ä h i g k e i t bestellt. W ä h r e n d in der V e r g a n g e n heit' b e r e i t s b e a c h t l i c h e

E r f o l g e bei der E r h ö h u n g

der F e s t i g k e i t

erzielt

w u r d e n , liegt g e g e n w ä r t i g der F o r s c h u n g s s c h w e r p u n k t auf der V e r b e s s e r u n g d e r Z ä h i g k e i t h o c h f e s t e r W e r k s t o f f e . D a m i t v e r b u n d e n sind f o l g e n d e F r a g e n : — W o d u r c h k a n n die R i ß k e i m b i l d u n g v e r m i e d e n w e r d e n ? — W i e k a n n m a n die R i ß a u s b r e i t u n g v e r h i n d e r n oder v e r z ö g e r n ? — Wie k a n n ein sich a u s b r e i t e n d e r R i ß wieder z u m S t i l l s t a n d

gebracht

werden? Anders formuliert: — W i e k a n n v e r h i n d e r t werden, d a ß sich der große B e t r a g an e l a s t i s c h e r E n e r g i e , die in l i o c h b e l a s l e t e n

W e r k s t o f f e n g e s p e i c h e r t ist, in

E n e r g i e der B r u c h a u s b r c i t u n g u m w a n d e l t u n d d a m i t z u m

kinetische

katastrophalen

Bruch führt? Die B e a n t w o r t u n go dieser F r a goe n e r f o r d e r t ein i n t e n s i v e s S t u d i u m der m i k r o s t r u k t u r e l l e n P r o z e s s e , die die v e r s c h i e d e n e n S t a d i e n des B r u c h e s bes t i m m e n . Die L ö s u n g des P r o b l e m s l ä u f t d a r a u f h i n a u s , gezielt solche Mikro-

Abnhold Ltjft

12

strukturen zu erzeugen, die gegenüber erhöhten mechanischen Beanspruchungen resistent sind, d. h., in denen einerseits die Rißbildung und -ausbreitung erschwert sind oder andererseits ein sich ausbreitender Riß wieder zum Stillstand kommt. Neuere Erkenntnisse über die Rißausbreitung beim spröden Bruch deuten darauf hin, daß vor der Rißspitze und an den Rißflanken lokal plastische Prozesse ablaufen, die wesentlich mehr Energie verzehren als der eigentliche Vorgang der Materialtrennung. Plastische Prozesse gehen dem Bruch voraus und bestimmen seinen Charakter. Auf Grund dieses engen Wechselspiels von Verformung und Materialtrcnnung bei der Rißausbreitung erscheint eine gezielte Verbesserung und Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Konstruktionswerkstoffe nur durch den komplexen Einsatz von Plastizitäts- und Bruchforschung möglich. Aufgabe der Versetzungsforschung sollte es schließlich sein, das Verhalten der Versetzungen bei der plastischen Verformung in Verbindung mit der Rißkeimbildung und Rißausbreilung zu verstehen. Es sei jedoch hervorgehoben, daß im Hinblick auf reale Werkstoffe darüber hinaus die Rolle der anderen Strukturelemente, wie Ausscheidungen, Korngrenzen usw. gleichermaßen studiert und erkannt werden muß.

2. Untersuchungen

an

Modellsubstanzen

Die direkte Untersuchung der Mikrostruktur und der Elementarprozesse der plastischen Verformung in der Nähe der Rißspilzc und Rißflanken bereitet große experimentelle Schwierigkeiten. Die üblichen elektrolytischen Verfahren zur Präparation dünner Folien für die Transmissionselektrorienmikroskopie versagen. Neuartige Möglichkeiten ergeben sich durch die Abdünnung mittels lonenbeschuß, jedoch liegen in der D D R hierüber noch wenig Erfahrungen vor. W eitere Erkenntnisse sind durch die direkte Beobachtung o O der Versetzungsstrukturentwicklung während der Rißausbreitung bei dynamischer Versuchsführung im Ilöchstspannungselektronenmikroskop zu erwarten. Außer diesen speziellen Bemühungen sind daher systematische Untersuchungen zur Aufklärung der Relation zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften an kompakten Proben unerläßlich. Das Verformungs- und Bruchverhalten technischer Werkstoffe ist außerordentlich kompliziert, da es gleichzeitig von einer Vielzahl von Parametern beeinflußt wird. Als Beispiele seien genannt: chemische Zusammensetzung, Anwesenheit und Verteilung von Spurenelementen, Ausscheidungen, lvorngrenzen, Versetzungsstruktur, Art und Beschaffenheit der Oberfläche, thermische und mechanische Vorgeschichte und nicht zuletzt die Rolle der äußeren

Experimentelle Versetzungsforschung

13

U m g e b u n g . U m zu einem tieferen V e r s t ä n d n i s einzelner W i r k u n g s m e c h a n i s m e n v o r z u d r i n g e n , m ü s s e n verschiedene E i n f l u ß f a k t o r e n s e p a r a t u n t e r s u c h t w e r d e n . Dies ist allerdings in technischen W e r k s t o f f e n oft n i c h t realisierbar. Aus diesem G r u n d e bilden gezielte U n t e r s u c h u n g e n a n Modellsubstanzen definierter R e i n h e i t u n d h o h e r physikalischer P e r f e k t i o n n a c h wie vor einen lebensnotwendigen Bestandteil moderner Werkstofforschung. U n t e r diesem A s p e k t wird seit m e h r e r e n J a h r e n im Z F W Dresden ein k o m p l e x e s U n t e r s u c h u n g s p r o g r a m m a n hochreinen M o l y b d ä n - u n d EisenE i n k r i s t a l l e n d u r c h g e f ü h r t , das bereits beachtliche B e i t r ä g e zur A u f k l ä r u n g der R e l a t i o n e n zwischen M i k r o s t r u k t u r u n d m e c h a n i s c h e n E i g e n s c h a f t e n geliefert h a t , die den F o r t s c h r i t t der w e r k s t o f f o r i e n t i e r t e n F o r s c h u n g s a r b e i t e n wesentlich s t i m u l i e r t h a b e n .

3. Ergebnisse

an

Molybdän-Einkristallen

E i n e der wichtigsten E i g e n s c h a f t e n der krz Metalle u n d a u c h der ferritischen S t ä h l e ist der s t a r k e Einfluß der T e m p e r a t u r auf das V e r f o r m u n g s v e r h a l t e n . Bild 2 zeigt die S p a n n u n g s - D e h n u n g s - K u r v e n f ü r m i t t e l o r i e n t i e r t e M o l y b d ä n - E i n k r i s t a l l e in A b h ä n g i g k e i t v o n der V e r f o r m u n g s t e m p e r a t u r . M a n e r k e n n t , d a ß m i t a b n e h m e n d e r T e m p e r a t u r die E i n s a t z s p a n n u n g der p l a s t i s c h e n V e r f o r m u n g s t a r k a n w ä c h s t u n d sich dabei gleichzeitig der g e s a m t e K u r v e n v e r l a u f ä n d e r t . Bei tiefen T e m p e r a t u r e n h a b e n die K u r v e n p a r a b o l i s c h e F o r m u n d d e m o n s t r i e r e n die rapide V e r f e s t i g u n g bei kleinen D e h n u n g e n . E s ist wichtig, d a ß im Z u s a m m e n h a n g m i t der h o h e n F e s t i g k e i t bei t i e f e n T e m p e r a t u r e n die Neigung zur S p r ö d b r ü c h i g k e i t s t a r k a n w ä c h s t . Mit w a c h s e n d e r T e m p e r a t u r besitzen die K u r v e n bei h ö h e r e n D e h n u n g e n ein S p a n n u n g s p l a t e a u , dessen H ö h e m i t der T e m p e r a t u r s t a r k a b n i m m t . Oberh a l b 400 K e r g i b t die V e r f o r m u n g eine Drei-Bereichs-Verfestigungskurve, wie sie f ü r k f z Metalle allgemein t y p i s c h ist. Der g r u n d s ä t z l i c h e W a n d e l im V e r f o r m u n g s v e r h a l t e n , der sich e t w a bei 400 K vollzieht u n d sich i m Ü b e r g a n g von der parabolischen zur DreiBereichs-Verfestigung o f f e n b a r t , ist m i t f u n d a m e n t a l e n Ä n d e r u n g e n der Gleitgeometrie, der G l e i t b a n d m o r p h o l o g i e u n d der V e r f o r m u n g s s t r u k t u r v e r b u n d e n . Ü b e r diese Ergebnisse w u r d e in V o r t r ä g e n u n d Veröffentlichungen schon m e h r f a c h b e r i c h t e t [ 1 — 3 ] s o d a ß hier n u r auf einige t y p i s c h e Beob1

[ 1] A . LUFT, J . RICHTER, W . REITZENSTEIN U. P . F I N K E i n : R e i n s t s t o f f p r o b l e m e I V ,

Hrsg. M. BALARIN, Akademie-Verlag Berlin 1972, S. 285 [ 2 ] A . LUFT U. L . K A U N , p h y s . s t a t . s o l . 3 7 ( 1 9 7 0 ) 7 8 1

[3] J. RICHTER, phys. stat. sol. (b), 4 6 (1971) 203

14

ARNHOLD L U F T

Bild 2.

Einfluß

der

Verfor-

m u n g s t e m p e r a t u r auf den Verlauf der

0

5 plastische

10 Dehnung e/°/o

jß

Spannungs-Dehnungs-

Kurven von

mittelorientierten

M o l y b d ä n - E i n kristallen

achtungen hingewiesen werden soll, die die Verssetzungsstruktur betreffen. Verformung oberhalb der Übergangstemperatur führt zur Entwicklung einer ausgeprägten Versetzungszellstruktur. Bild 3 zeigt die Versetzungsanordnung parallel zur primären Gleitebene eines bei 493 K um 2 2 % gedehnten Molybdän-Einkristalls. Große, nahezu versetzungsfreie Gebiete werden von Versetzungsnetzwerken als Zellgrenzen umrandet. Zwischen benachbarten Zellen existieren Orientierungtsunterschiede. Die Entwicklung D O

einer solchen Struktur deutet man heute so, daß während der Verformung dynamische Erholungsvorgänge ablaufen, die auf leichtes Gleiten, Quergleiten und Klettern der Versetzungen bei erhöhten Temperaturen zurückzuführen sind. Es ist von Wichtigkeit zu wissen, daß die Entwicklung von Versetzungszellstrukturen eine typische Erscheinung ist für die Verformung von reinen krz Metallen oberhalb ihrer Ubergangstemperatur und für kfz Metalle ganz allgemein für alle Verformungstemperaturen. Bild 4 zeigt die Struktur von mittelorientierten Molybdän-Einkristallen nach 14°/0iger Dehnung bei Raumtemperatur, die bei Molybdän zum oberen

E x p e r i m e n t e l l e Versetzungsforschung

15

16

Arnhold Luft

Bild 4. Versetzungsstruktur in einem mittelorientierten Molybdän-Einkristall, der bei 293 K um 14°/ 0 gedehnt wurde. Die Folienebene (110) ist parallel zur primären und konjugierten Gleitrichtung

Experimentelle Versetzungsforschung

17

E n d e des T i e f t e m p e r a t u r b e r e i c h e s z ä h l t . Die S t r u k t u r b e s t e h t a u s l a n g e n S c h r a u b e n v e r s e t z u n g e n , a u s V e r s e t z u n g s k n ä u e l n u n d kleinen V e r s e t z u n g s r i n g e n . Diese E l e m e n t e sind g l e i c h m ä ß i g im K r i s t a l l v o l u m e n v e r t e i l t . Die V o r h e r r s c h a f t d e r l a n g e n S c h r a u b e n v e r s e t z u n g e n in d e r S t r u k t u r ist ein Z e i c h e n d a f ü r , d a ß bei t i e f e n T e m p e r a t u r e n die S c h r a u b e n v e r s e t z u n g e n viel s c h w e r e r beweglich sind als die S t u f e n . Die T i e f t e m p e r a t u r v e r f o r m u n g s e i g c n s c h a f t e n d e r k r z .Metalle w e r d e n d a h e r m a ß g e b l i c h d u r c h das V e r h a l l e n d e r Schraubenversetzungen bestimmt. Durch quantitative Strukturanalyse k o n n t e n a c h g e w i e s e n w e r d e n [4] d a ß die Z u n a h m e d e r F l i e ß s p a n n u n g w ä h r e n d d e r V e r f o r m u n g d i r e k t d u r c h die Z u n a h m e d e r D i c h t e d e r l a n g e n S c h r a u b e n v e r s e t z u n g e n v e r u r s a c h t w i r d . I n f o l g e d e r M e h r f a c h g l e i t u n g ers c h e i n t die W e c h s e l w i r k u n g zwischen sich s c h n e i d e n d e n S c h r a u b e n v e r s e t z u n g e n d e r w i c h t i g s t e V e r f e s t i g u n g s m e c h a n i s m u s zu sein. A u ß e r d e r V e r f o r m u n g s t e m p e r a t u r h a t a u c h die K r i s t a l l o r i e n t i e r u n g einen m a r k a n t e n E i n f l u ß auf die sich e n t w i c k e l n d e V e r s e t z u n g s s t r u k t u r , d a die V e r s e t z u n g s v e r v i e l f a c h u n g u n d die K n ä u e l b i l d u n g v o n d e r A r t u n d d e r A n z a h l d e r b e t ä t i g t e n G l e i t s y s t e m e a b h ä n g e n . Auf G r u n d d e r S y m m e t r i e e i g e n s c h a f t e n w e r d e n beispielsweise in z u g v e r f o r m t e n [110]-Kristallen n u r zwei S y s t e m e v o n S c h r a u b e n v e r s e t z u n g e n b e o b a c h t e t , d a g e g e n in [100]-Kristallen vier S y s t e m e , die m i t B u r g e r s v e k t o r e n v o m T y p a / 2 ( I I I ) ü b e r h a u p t m ö g l i c h sind. W i e a u s Bild 5 zu e r k e n n e n ist, e n t w i c k e l t sich in [100]-Kris t a l l e n infolge d e r b e s o n d e r s h ä u f i g e n S c h n e i d p r o z e s s e a u c h bei R a u m t e m p e r a t u r v e r f o r m u n g eine zellartige V e r s e t z u n g s a n o r d n u n g . D i c h t e Versetzungsknäuel u m r a n d e n versetzungsarme Gebiete. I m Unterschied zur Ilochtemperaturzellstruktur bestehen hier die Zellgrenzen a u s Vers e t z u n g s k n ä u e l n , u n d b e n a c h b a r t e Zellen weisen n u r u n b e d e u t e n d e O r i e n tierungsdifFerenzen a u f . Z u s a m m e n f a s s e n d k a n n m a n sagen, d a ß n u n m e h r w e i t g e h e n d b e k a n n t ist, u n t e r w e l c h e n B e d i n g u n g e n ( T e m p e r a t u r , O r i e n t i e r u n g , Z u g v e r f o r m u n g , W a l z e n ) sich die v e r s c h i e d e n e n S t r u k t u r t y p e n ( Z e l l s t r u k t u r , K n ä u e l , h o m o g e n e V e r t e i l u n g ) e n t w i c k e l n u n d wie sie m i t d e m m a k r o s k o p i s c h e n Verf o r m u n g s v e r h a l t e n z u s a m m e n h ä n g e n . Diese K e n n t n i s s e sind die V o r a u s s e t z u n g f ü r die B e a r b e i t u n g des n ä c h s t e n P r o b l e m k r e i s e s : W i e v e r h ä l t sich eine v o r g e g e b e n e V e r s e t z u n g s s t r u k t u r bei n a c h f o l g e n d e r B e l a s t u n g u n t e r g e ä n d e r t e n B e d i n g u n g e n ? W e l c h e n E f f e k t h a t eine gezielte V o r v e r f o r m u n g auf die m e c h a n i s c h e n E i g e n s c h a f t e n ? Diese F r a g e s t e l l u n g e n e n t s p r e c h e n d i r e k t d e n B e d i n g u n g e n d e r T e c h n i k , d e n n j e d e m W e r k s t o f f wird d u r c h seinen I l e r s t e l l u n g s - u n d V e r a r b e i t u n g s p r o z e ß eine b e s t i m m t e S t r u k t u r m i t 2 [4] A. LUFT, phys. stat. sol. 42 (1970) 429 2 Pegel/Luft, Versetzungsforschung

ARNHOLD L U F T

Bild 5. Versetzungsstruktur in einem [100]-Molybdän-Einkrista)l, der bei 293 K um 12°/Q gedehnt wurde. Die Folie ist parallel zur (llO)-Ebene

Experimentelle Versetzungsforschung

19

gegeben, und das Verhalten dieser S t r u k t u r während des späteren Einsatzes b e s t i m m t die Eigenschaften des Werkstoffes. Die Untersuchungen zu d i e s e r . P r o b l e m a t i k stehen in der D D R noch am Anfang. Trotzdem haben sie bereits interessante und neuartige Ergebnisse gebracht, von denen hier ein Teil erstmals vorgestellt werden soll. Von besonderer Bedeutung für die Aufklärung der Relationen zwischen S t r u k t u r und mechanischen

Eigenschaften

Tieftemperaturvorverformung

auf das Verformungsverhalten

Ubergangstemperatur. Dehnungs-Kurven

Bild 6

zeigt

jungfräulicher

zum

erweist sich der E f f e k t Vergleich

typische

Molybdän-Einkristalle

für

oberhalb

einer der

Spannungs293 K

und

4 9 3 K und die K u r v e , die man von einem bei 2 9 3 K um 3 , 5 % gedehnten

30

2

4 6 Dehnung, eC/o)

8

10

Bild 6. Einfluß einer Vordehnung bei T = 293 K auf den Verlauf der Spannungs-Dehnugs-Kurvc bei T 2 = 493 K für mittelorientierte MolybdänEinkristalle. Die obere und untere Kurve stammt jeweils von jungfräulichen Kristallen 2

Abnhold Luft

20

Kristall für die Nachverformung bei 493 K erhält. Die Einsatzspannung der Nachverformung ist wesentlich höher als die Einsatzspannung der plastischen Verformung des jungfräulichen Kristalls bei gleicher Temperatur. Hieraus folgt, daß die während der Vorverformung entstandene Versetzungsstruktur anfänglich die Versetzungsbewegung bei 493 K stark behindert. Nach überschreiten einer gewissen Spannung setzt diskontinuierliches Fließen ein, wobei die Fließspannung insgesamt absinkt. Die Spannungsoszillationen verringern sich allmählich mit zunehmender Dehnung, und es folgt ein Verformungsbereich mit monotoner Verfestigung. Aus der Untersuchung der Kristalloberfläche folgt, daß die Instabilitäten und Inhomogenitäten im makroskopischen Verformungsvorgang mit der spontanen Entstehung und Ausbreitung starker Gleitbänder zusammenhängen. Wie aus Bild 7 hervorgeht, ist die Verformung sehr inhomogen und nur innerhalb der starken Gleitbänder abgelaufen. Die Gebiete zwischen den Gleitbändern zeigen das noch unveränderte Gleitlinienbild der Vorverformung. Die starken Gleitbänder folgen im Mittel der Spur der Ebene mit

l

0,1mm

|

B i l d 7. L i c h t m i k r o s k o p i s c h e Molybdän-Einkristalls,

Aufnahme

von

der

Obcrlläclie

eines

zylindrischen

der u m 3 , 4 % bei 2 9 3 K v o r v e r f o r m t u n d a n s c h l i e ß e n d bei

4 9 3 K um G,40/0 n a c h v e r f o r m t w u r d e (vgl. B i l d 6 ) . D i e s t a r k e n G l e i t b ä n d e r w ä h r e n d der N a c h V e r f o r m u n g e n t s t a n d e n a) O b e r f l ä c h e n b e r e i c h in der N a h e der S t i r n l i n i e

sind

Experimentelle Versetzun^sforselning

l

0.1mm

21

[

Bild 7. b) Oberiliiclicnbcreich in der Nähe der Seitenlinie

m a x i m a l e r bezogener S c h u b s p a n n u n g . Die C.leitbänder breiten sieh während der V e r f o r m u n g ü b e r die Müßlänge des K r i s t a l l s aus, ähnlich wie die Lüdersb ä n d e r bei polykristallinem Material, und wenn die g e s a m t e Oberfläche bed e c k t ist, erfolgt die V e r f o r m u n g m i t m o n o t o n e r Verfestigung. In artig

Übereinstimmung nacliverformte

mit

den

Kristalle

im

Oberflächenbeobachtungen Innern

besitzen

keine einheitliche

der-

Versetzungs-

s t r u k t u r . D e r g r ö ß t e V o l u m e n a n t e i l h a t noch die während der V o r v e r f o r m u n g e n t s t a n d e n e h o m o g e n e V e r s e t z u n g s s t r u k t u r b e h a l t e n , obwohl lokal t y p i s c h e Elemente

der l l o c h t e m p e r a t u r z e l l s t r u k t u r

vorhanden

sind. Als

n e u a r t i g e E r s c h e i n u n g werden nahezu versetzungsfreie K a n ä l e

qualitativ beobachtet,

die die S t r u k t u r der V o r v e r f o r m u n g durchqueren (Bild 8). Die E n t s t e h u n g solcher K a n ä l e ist A u s d r u c k für die I n s t a b i l i t ä t der während der temperaturvorverformung

entstandenen

S t r u k t u r u n t e r den

Raum-

Verformungs-

bedingungen bei 4 9 3 K . Diese S t r u k t u r , die insgesamt als Hindernis wirkt, wird lokal durch spontan a b l a u f e n d e Mechanismen zerstört, so daß sich die m a k r o skopische V e r f o r m u n g

auf

lokale Gleitzonen

konzentriert.

Das

plötzliche

Z u s a m m e n b r e c h e n der S t r u k t u r und die B i l d u n g der freien K a n ä l e bewirken eine A b n a h m e

des V e r f o r m u n g s w i d e r s l a n d e s

diskontinuierliche F l i e ß e n .

und verursachen

somit

das

ARNHOLD LUFT

Bild 8. Freie Kanäle in der V e r s e l z u n g s s l r u k t u r des nachverforniten Molybdän-Einkristalls von Bild 7. Die Folienebene ist in a) e t w a parallel zur Stirnfläche und in

Bild 8. b) e t w a parallel zur Seitenfläche des Kristalls

Experimentelle Versetzungsforschung

23

Ähnliche Z u s a m m e n h ä n g e werden bei der Verformung abgeschreckter oder neutronenbcstrahlter Melalle diskutiert. Als Beispiel zeigt Bild 9 Kanäle in einer Molybdänprobe, die nach der Neutronenbeslrahlung plastisch verf o r m t worden war. Hier werden die Strahlcnscliäden, meist kleine Versetzungsringe, durch GleiÜbersetzungen „weggefegt", so daß sich eine große

24

ABNHOLD

LUFT

Bild 10. Versetzungsstruktur in einem ermüdeten Kupfer-Einkristall. Die Folienebene ist sowohl zur Kristalloberfläehe als auch zur aktiven Gleitebene senkrecht. Die persistente Gleitzone, die auf die Oberfläche ausläuft, ist mit Ext r u s i o n e n v e r b u n d e n (P. LUKAS, M. KLESNIL, J. KBEJCI, p h y s . s t a t . sol. 27 (1968) 545)

Experimentelle Versetzungsforschung

25

Zahl von Versetzungen ungehindert längs der freien Kanäle bewegen kann. Weiterhin müssen an .dtöser. Stelle die sogenannten persistenten Gleitbänder wechselbeanspriichter Metalle erwähnt werden, da auch sie ein Beispiel für den lokalisierten Ablauf plastischer Prozesse sind. Die Versetzungsstruktur innerhalb der aktiven Gleitzonen unterscheidet sich von der in der umgebenden Matrix (Bild 10) und ist typisch für höhere Spannungs- und Verformungsamplituden. Daher ermüdet das Material innerhalb der Gleitbänder schneller, so daß an den persistenten Gleitbändern die ersten Mikrorisse entstehen und sich ausbreiten. Wenn bisher der Zusammenhang zwischen mikrostruktureller Instabilität und Rißbildung und -ausbreitung bei der Wechselbeanspruchung schon deutlicher erkannt wurde, so ist doch zu vermuten, daß ein ähnlicher Zusammenhang auch bei einsinniger Belastung existiert. Deshalb wird die Untersuchung der freien Kanäle in den nachverformten Molybdänkristallen zum besseren Verständnis des Verformungs- und Bruchverhaltens der Metalle beitragen.

4. Zur Bedeutung

der

Versetzungsforschung

Abschließend soll vom Standpunkt der K o n s t r u k t i o n Werkstoffe aus die Frage kurz diskutiert werden, welche volkswirtschaftliche Bedeutung der experimentellen Versetzungsforschung zukommt. Das erfordert eine Einschätzung der Entwicklungstendenzen der Konstruktionswerkstolfe, denen man voraussagen kann, daß an sie immer höhere Anforderungen z. B. bezüglich statischer, dynamischer, thermischer oder korrosiver Belastung gestellt werden. Mit anderen Worten: Man will die Konstruktionswerkstolfe mehr und damit materialökonomisch beanspruchen, ohne daß Gefahr besteht, daß sie im Einsatz versagen. Eine wesentliche Strecke dieses Gesamtkomplexes ist die sichere und ökonomische Beherrschung von Stählen mit höheren als bisher üblichen Festigkeiten. Das Problem ist dabei eigentlich nicht, wie man die Festigkeitswerte erreicht oder wie man die Werkstoffe mit angehobenem Festigkeitsniveau bei der Halbzeugherstellung oder Weiterverarbeitung verformt. Vielmehr geht es um solche Probleme wie die Abnahme der Zähigkeit mit steigender Festigkeit oder mangelhafte Festigkeitswerte bei dynamischer Belastung trotz wesentlicher Festigkeitsgewinne unter statischen Bedingungen. Die grundlagenorientierte Werkstofforscliung stellt dabei an den Anfang immer die Frage nach dem „warum", um danach die Frage nach den Eingriffsmöglichkeiten fundiert analysieren zu können. Dabei wäre ein Herangehen

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Abnhold L u f t

allein vom S t a n d p u n k t der Versetzungen in Anbetracht der komplexen Mikrostruktur eines realen Werkstoffes zu einseitig. Das Zusammenspiel der Elemente der Mikrostruktur muß beherrscht werden, wobei den Versetzungen, ihren kollektiven Konfigurationen und ihren Wechselwirkungen mit anderen Strukturelementen, etwa Ausscheidungen oder Korngrenzen, eine besondere Bedeutung z u k o m m t . Wenn so auf der einen Seite die Zusammenhänge nie aus dem Auge verloren werden dürfen, so erfordert die Komplexität der Relationen von Mikrostrukturen zu Eigenschaften auch die Analyse von Einzelerscheinungen, auch an Modellsubslanzen. Ausgewählte Beispiele hierfür wurden in den vorangehenden Abschnitten erläutert. Doch zu den vielseitigen Beziehungen, die zu aktuellen Problemen realer Konstruklionswerkstoffe bestehen, kann an dieser Stelle nicht umfassend Stellung genommen werden, aber ein typisches Beispiel möge zur Beantwortung der aufgeworfenen Fragen beitragen. Es wurde schon darauf hingewiesen, daß mit einer Steigerung der statischen Festigkeit o f t keine äquivalente Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit einhergeht. Das ist ein gravierendes Problem, weil die meisten Konstruklionen Wechselbelastungcn ausgesetzt sind. Ansatzpunkte für die Lösung dieser Diskrepanz ergeben sich aus Untersuchungen der Mikrostruktur. Neuere Ergebnisse über das Ermüdungsverhalten von kohlenstoffarmen Stählen, die nach Abschrecken entweder durch Ausscheidung von Karbiden vor oder durch dynamische Beckalterung während der Weehselvcrformung gehärtet wurden, belegen, daß sich gerade diejenige Anordnung von Versctzungshiiulernissen, die die Festigkeit bei einsinniger Verformung am wirksamsten erhöht, unter dem Einfluß einer zyklischen Belastung instabil wird. Es bilden sich dabei störungsfreie Kanäle, die die gehärtete Matrix durchqueren (Bild 1:1). Die damit verbundene lokale Entfestigung der S t r u k t u r führt zur Konzentration der zyklischen Verformung auf schmale aktive (¡leilzonen und begünstigt Rißbildung und -ausbreitung. Ein solches Verhalten ergibt kleine Quotienten von Wechselfestigkeit zu statischer Festigkeit. Im Gegensatz dazu bewirken gröbere, aber mechanisch stabile Ausscheidungsverteilungen, daß diffuses Gleiten abläuft und deshalb hohe Wechsclfestigkciten erreicht werden. Damit konzentriert sich die Frage nach der Erhöhung der Lebensdauer eines wechselbeanspruchlen höherfesten Werkstoffes auf die Frage nach den Möglichkeiten, solche Mikrostrukturen zu erzeugen, die auch unter zyklischer Beanspruchung stabil bleiben. Natürlich muß auch hier das System „Werkstoff — Umgebung" als Einheit betrachtet werden, da gerade Bruchphänomene von außen her m a r k a n t e n Beeinflussungen unterliegen. Es braucht nicht betont zu werden, daß aus der Menge der aktuellen Werkstoffprobleme, die noch zu lösen sind, das erläuterte Beispiel ein

Experimentelle lohnendes

Versctzungsforschung

Betätigungsfeld

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der modernen

der progressiven Mechanismenforschung

Versetzungsforscliung,

oder

für die n ä c h s t e n J a h r e sein

l i i l d 1 1 . A k t i v e Gleit/.one i n a b g e s c h r e c k t e m und hei 1JU °C w e c l i s e l v e r l o r i n t e m Lokalisierte

Verselzungshewegung

mit

großen

Amplituden

f ü h r t zur

besser

wird.

Stuhl.

Knlsleliung

a u s s c h e i d u n g s f r c i e r K a n ä l e ( I ) . V . WILSON u n d .1. K . TBOMANS, A c t a M e t . 1 8 ( 1 1 ) 7 0 ) 11Ü71

Festschrift des wissenschaftlichen Kolloquiums zum 65. Geburtstag von Robert Rompe Von einem A u t o r e n k o l l e k t i v 1973. 136 Seilen - 50 Abbildungen Bestell-Nr.

761 7251

- 34 Tabellen - gr.

- Leinen

22,-

M

(6025)

Dieser Festband enthält in seinen wissenschaftlichen und allgemein persönlichen Beiträgen die Wiedergabe von Vorträgen, die im September 1970 auf einem Kolloquium zu Ehren des 65. Geburtstages von Robert Rompe gehalten worden sind. Die wissenschaftlichen Beiträge behandeln durchweg aktuelle Probleme, überwiegend aus dem Gebiet der experimentellen und theoretischen Festkörperphysik. Dabei ist die diskutierte Problematik so dargestellt, daß sowohl Verständlichkeit als auch hohes Niveau gewährleistet sind. Die einzelnen Vorträge sind teilweise zusammenfassende Darstellungen des Standes, teilweise originäre Beiträge zu speziellen Problemen der behandelten Thematiken. Die Veröffentlichung dieser Einzeldarstellungen

stellt

eine

wertvolle Bereicherung der derzeitigen aktuellen physikalischen Literatur dar und zeugt für den Entwicklungsstand der Physik in der DDR im Jahre der Abhaltung dieses Kolloquiums.

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Metallphysik E i n Lehrbuch GUSTAV E. R. SCHULZE 2., überarbeitete

Auflage

1973. Etwa 480 Seiten - 277 Abbildungen, davon 25 auf 20 Tafeln - gr. 8° Leinen etwa 38, — M Bestell-Nr. 761 497 4

(5614)

Dieses Lehrbuch vermittelt mit den Kenntnissen der wichtigsten metallphysikalischen Tatsachen einen Grundstock der Festkörperphysik und lehrt sie im gegenseitigen Zusammenhang verstehen. Die Darstellung ist leicht verständlich und bietet einerseits bei Physikern oft nicht vorhandene kristallographische und metallkundliche Voraussetzungen, andererseits den Nichtphysikern spezielle physikalische Grundlagen. Sie geht vom experimentellen Standpunkt aus und bringt die theoretischen Vorstellungen, soweit sie zum Verständnis des Zusammenhanges dienen können. Dabei wird das Niveau von Hochschulstudenten mittlerer Semester zugrunde gelegt. Neben dem physikalischen Verständnis der Eigenschaften soll, durch zahlreiche Tabellen unterstützt, ihre Variation mit der chemischen Zusammensetzung unter gebührender Berücksichtigung auch der intermetallischen Verbindungen deutlich gemacht werden. In der Neuauflage sind außer kleineren Überarbeitungen und Ergänzungen die Kapitel über sich heute lebhaft entwickelnde Teilgebiete (Supraleitung, Elektronenstruktur) neu geschrieben worden.

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