Analyse von Gleitsysteminteraktionen und deren Auswirkungen auf die Versetzungskonfigurationen in Mikrosystemen

Im Zuge der Miniaturisierung von Bauteilen stößt die Anwendung von mechanischen Komponenten in den Bereich der Mikroskala vor. In diesem Bereich unterscheidet sich das plastische Verformungsverhalten metallischer Mikrosysteme aufgrund von sogenannten Größeneffekten von dem bekannten Verhalten makroskopischer Bauteilkomponenten. Zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Mikrosysteme ist ein tiefgreifendes Verständnis für die Mikrostrukturevolution von elementarer Bedeutung, wobei die genauen Auswirkungen der auftretenden Gleitsysteminteraktionen bisher größtenteils unbekannt sind.
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Im Rahmen dieser Arbeit wird eine mechanismusbasierte Kontinuumsformulierung der Kristallplastizität weiterentwickelt sowie datengetriebene Analysemethoden und theoretische Systemanalysen eingesetzt, um direkte Einblicke in die Interaktionen von Gleitsystemaktivitäten und deren Auswirkungen auf die Versetzungskonfigurationen in einkristallinen, kubisch-flächenzentrierten Metallen unter verschiedenen Belastungen zu erhalten. Hierbei lässt sich eine Klassifikation der Gleitsysteme vornehmen, wobei sich die einzelnen Gleitsystemgruppen bezüglich ihrer Aktivitäten, Spannungsrelaxationsmechanismen sowie Versetzungskonfigurationen unterscheiden. Die beobachtete Akkumulation von sogenannter geometrisch notwendiger Versetzungsdichte lässt sich in homogenen Spannungsfeldern auf den inaktiven Gleitsystemen und in inhomogenen Spannungsfeldern auf den aktiven Gleitsystemen lokalisieren, wobei sich die Stabilisierung der Versetzungsdichten in den Systemen auf die jeweiligen Spannungskonfigurationen und die Bildung von Versetzungsnetzwerken zurückführen lässt. Der interne Versetzungsaufstau induziert dabei einen Größeneffekt, sofern der Einfluss interner Spannungen verglichen zum externen Spannungsfeld
ausreichend groß ist. Folglich vertieft diese Arbeit signifikant das Verständnis für die Gleitsysteminteraktionen bzw. für das Materialverhalten der Mikrosysteme im Allgemeinen.

In the course of structural component miniaturization, the application of mechanical components expand to the microscale. At the microscale, the plastic deformation of metallic microsystems differs from the known behavior of macroscopic components due to so-called size effects. To ensure the reliability of microsystems, an in-depth understanding of microstructure evolution is fundamental, whereby the specific effects of the occuring slip system interactionen are mostly unknown.

In this work, a mechanism based continuum formulation of crystal plasticity is enhanced as well as data-driven analysis methods and theoretical system analyses are applied to different microsystems. ... mehrThe results gained provide direct insight into the interactions of slip system activities and their effects on dislocation configurations in single-crystalline face-centered cubic metals under different loads. A classification of the slip systems can be derived, whereby the individual slip system groups differ with respect to their activities, stress relaxation mechanisms, and dislocation configurations. The observed accumulation of so-called geometrically necessary dislocation density can be located in homogeneous stress fields on the inactive slip systems and in inhomogeneous stress fields on the active slip systems. The stabilization of the dislocation densities in the systems can be attributed to the respective stress configurations and the formation of dislocation networks. The internal dislocation pile-ups induce a size effect, if the influence of internal stresses is sufficiently large compared to the external stress field. Consequently, this work significantly increases the understanding of the slip system interactions and of the material behavior of microsystems in general.