Assessment of thermally activated dislocation mechanisms via novel indentation approaches

The efficiency of gas turbines and jet engines used for energy generation and transportation can be increased by raising their combustion temperature. However, this is often limited by the materials used. For the development of new high-temperature materials, knowledge of the local mechanical properties of, for instance, individual phases in Ni-based superalloys is therefore of great importance. These properties are largely unknown, as they are not accessible with conventional macroscopic test methods.

In the present work, the depth-sensing indentation testing technique was applied to assess the thermally activated deformation mechanisms on a local scale. For this purpose, a new in-situ indentation device was developed, which for the first time allows dynamic indentation experiments to be carried out on a small scale at temperatures of up to 1100 °C. Furthermore, a new indentation creep loading protocol was developed using a constant contact pressure approach similar to conventional uniaxial creep experiments. For indentation testing at high temperatures, a new step load method has been presented that allows a significant reduction of the contact time, thus minimizing the wear of the indenter tips. The method is suitable for the investigation of transients in material behavior at high to medium strain rates. In addition, a new approach for determining the brittle-ductile-transition temperature of body centered cubic metals was presented. In this approach, the change in the temperature-dependent activation volume was used to determine an intersection temperature that agrees well with the brittle-to-ductile-transition temperature from conventional Charpy pendulum impact tests.

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen und Strahltriebwerken, die für die Energieerzeugung und den Verkehr eingesetzt werden, kann durch eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur gesteigert werden. Dies wird jedoch häufig durch die verwendeten Werkstoffe begrenzt. Für die Entwicklung neuer Hochtemperaturwerkstoffe ist daher die Kenntnis der lokalen mechanischen Eigenschaften z. B. einzelner Phasen in Ni-Basis-Superlegierungen von großer Bedeutung. Diese Eigenschaften sind weitgehend unbekannt, da sie mit herkömmlichen makroskopischen Prüfmethoden nicht zugänglich sind.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Technik der tiefenregistrierenden Härteprüfung angewandt, um die thermisch aktivierten Verformungsmechanismen auf lokaler Ebene zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde ein neuer in-situ Indenter entwickelt, der es erstmals ermöglicht, dynamische Indentierungsversuche im kleinen Maßstab bei Temperaturen von bis zu 1100 °C durchzuführen. Darüber hinaus wurde ein neues Belastungsprotokoll für die Bestimmung von Kriecheigenschaften mittels Indentierungsversuchen entwickelt, bei dem ein konstanter Kontaktdruck ähnlich wie bei herkömmlichen einachsigen Kriechexperimenten aufgebracht wird. Für Indentierungsversuche bei hohen Temperaturen wurde eine neue Testmethode entwickelt, in der doe Last stufenweise augepracht wird. Dies ermöglicht eine erhebliche Verkürzung der Kontaktzeit und minimiert somit den Verschleiß der Indenterspitzen. Die Methode eignet sich für die Untersuchung von Transienten im Materialverhalten bei hohen bis mittleren Dehnungsgeschwindigkeiten. Darüber hinaus wurde ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur von kubisch-raumzentrierten Metallen vorgestellt. Bei diesem Ansatz wurde die Änderung des temperaturabhängigen Aktivierungsvolumens zur Bestimmung einer Schnittpunkttemperatur verwendet, die gut mit der Spröd-Duktil-Übergangstemperatur aus herkömmlichen Kerbschlagbiegeversuchen übereinstimmt.