Plastische Verformungsmechanismen in hochgradig kaltgewalzten, ultrafeinkörnigen Wolframblechen

Der zentrale Forschungsschwerpunkt der Dissertation ist die Aufklärung der Mechanismen der plastischen Verformung in kaltgewalzten, ultrafeinkörnigen (UFG) Wolframblechen. Ein Verständnis dieser Mechanismen ist entscheidend für die Ertüchtigung des Werkstoffs als Konstruktionswerkstoff, womit sich die herausragenden thermomechanischen Eigenschaften des Wolframs in zukunftsweisenden Hoch-temperaturanwendungen wie der Fusionstechnologie nutzen ließen. Bisher beschränkt der spröde Charakter des konventionellen Wolframs bei niedrigen Temperaturen die Verwendung von Wolfram auf den Einsatz als Funktionswerkstoff, wie beispielsweise als Lampenfilament. Zur Lösung dieses Problems mittels der Duktilisierung des Wolframs lieferten Laminate aus Wolframblechen bereits vielversprechende Ergebnisse. Diese Laminate profitieren dabei vom duktilen Charakter der verwendeten Wolframfolien, welche sich selbst bei Raumtemperatur plastisch verformen lassen. Die Wolframfolien erhalten ihre besonderen Eigenschaften durch das Kaltwalzen zu hohen Umformgraden und der damit einhergehenden Veränderung der Mikrostruktur in den ultrafeinkörnigen Bereich. Hier setzt diese Arbeit an und soll als zentrale Fragestellung klären: Wie verändern sich die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften unter uniaxialer Zugbelastung sowie die zugrundeliegenden Verformungsmechanismen bei kaltgewalzten Wolframblechen durch die Kornfeinung in den UFG Bereich? Diese Frage soll mit einer systematischen Studie an fünf Blechen mit verschiedenen Umformgraden beantwortet werden, welche aus einem einzigen Sinterling mittels Kaltwalzen hergestellt wurden. Zur Diskussion der Verformungsmechanismen werden die Erkenntnisse zweier sich ergänzender Ansätze kombiniert: (i) Durch die Charakterisierung des Gefüges und der Versetzungsstrukturen mittels Elektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie werden direkte Hinweise zu den Verformungsmechanismen gewonnen. (ii) Mechanische Prüfverfahren bei Temperaturen bis 800 °C und die Untersuchung des dehnratensensitiven Verhaltens dienen zum indirekten Nachweis der Verformungsmechanismen. Dabei finden sowohl etablierte als auch im Rahmen dieser Arbeit eigens entwickelte oder speziell angepasste Methoden wie Dehnraten-wechselversuche und hochauflösende Mikroskopieverfahren Verwendung. Die Mikrostrukturanalyse zeigte mit zunehmendem Umformgrad eine erfolgreiche Kornfeinung in den UFG Bereich, wobei sich eine pfannkuchenartige Kornform und eine ausgeprägte (001) Textur entwickelte. Die Versetzungsdichte zeigt dabei eine starke Abhängigkeit von der verwendeten Kaltwalz Temperatur und weniger vom Umformgrad. Die Abbildungen einzelner Versetzungen wiesen außerdem für die am stärksten umgeformten Bleche mit Korngrößen kleiner 300 nm ungewöhnliche Versetzungsstrukturen anstelle der üblichen Versetzungsnetzwerke nach. Diese Abbildungen einzelner Versetzungen in der UFG Struktur gelangen durch die Weiterentwicklung einer speziellen Methode der Elektropolitur. Mittels uniaxialen Zugversuchen und eigens entwickelten Dehnratenwechselversuchen wurden die Bleche bis 800 °C elastisch plastisch verformt und in Kombination mit der Mikrostrukturanalyse Rückschlüsse auf die geschwindigkeitsbestimmenden Mecha-nismen der plastischen Verformung gezogen. Mit zunehmendem Umformgrad kam es im Zugversuch zur erwarteten höheren Fließspannung und schnelleren Verfestigung. Bei niedrigen homologen Temperaturen wies dabei sowohl die Fließspannung als auch die Dehnratensensitivität für alle kaltgewalzten Blechen eine starke Temperaturabhängigkeit auf, wie sie von konventionellem Wolfram bekannt ist. Dies führt zu der Erkenntnis, dass die plastische Verformung auch im UFG Wolfram von der Bewegung der Schrauben-versetzung dominiert wird. Daneben zeigten die kaltverformten Bleche aber auch plastische Verformbarkeit in Form einer Gleichmaßdehnung von rund einem Prozent bei Raumtemperatur und nicht mehr das spröde Verhalten des grobkörnigen Wolframs. Auf Grundlage der Mikrostrukturanalyse wurden dazu zwei mögliche Hypothesen für das Verformungsverhalten bei niedrigen homologen Temperaturen aufgestellt. Zum einen können die zahlreicheren Korngrenzen als Versetzungsquellen dienen und zum anderen ist in den pfannkuchenartigen Körnern ein selteneres Schneiden der Versetzungen untereinander denkbar, wodurch die Versetzungen sich weitestgehend ungestört im Korn bewegen können. Bei hohen homologen Temperaturen wurde ein Anstieg der Dehnratensensitivität mit der Temperatur beobachtet, der bei konventionellem Wolfram nicht auftritt. Dies deutet für hohe Temperaturen auf einen Wechsel des dominierenden Deformationsmechanismus in den UFG Blechen hin. Als Arbeitshypothese dient in diesem Temperaturbereich ein Modell der korngrenzenunterstützten Plastizität von Ahmed und Hartmaier, was einen absorbierenden Charakter der Korngrenzen als Basis nimmt. Die Ergebnisse beweisen, dass eine durch Kaltwalzen hergestellte pfannkuchenartigen Kornform mit einer Korngröße von unter 300 nm (UFG) sowohl zu einer Festigkeits-steigerung als auch zu einer Duktilisierung des technisch reinen Wolframs bei Raumtemperatur führt. Die Ergebnisse zeigten die besten Eigenschaften für die Bleche mit dem höchsten Umformgrad. Dabei wurde das volle Verbesserungspotential durch das Kaltwalzen noch nicht ausgereizt. Insbesondere das Kaltwalzen in einem Temperatur-bereich, in welchem die dynamische Erholung während dem Walzen reduziert ist, wird auf Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit als vielversprechend bewertet. Vergleichbare Experimente an UFG Chrom (ebenfalls kubisch raumzentriert) aus der Literatur zeigen ähnliche Ergebnisse und lassen hoffen, dass sich diese Verbesserungen auch auf andere technisch relevante, kubisch raumzentrierte Metalle wie Eisen und Molybdän übertragen lassen