Linking structural defects to the damage behaviour of 3D-printed metallic glasses

• Verknüpfung von Strukturdefekten mit dem Schadensverhalten von 3D-gedruckten metallischen Gläsern

Shi, Jianye; Markert, Bernd (Thesis advisor); Hartmann, Stefan (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Metallische Gläser (MG), eine neuartige Klasse metallischer Legierungen, weisen aufgrund ihrer amorphen Strukturen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften auf. Die breite Anwendung der MG wird jedoch durch die Schwierigkeiten bei der Herstellung großmaßstäblicher Komponenten mit vollständig amorphen Strukturen und komplexen Geometrien stark eingeschränkt. Selektives Laserschmelzen (SLM), eine neu entwickelte additive Fertigungstechnik, ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus metallischen Massivgläsern mit komplizierten Geometrien. Jedoch bleiben viele Probleme beim SLM von MG bisher ungelöst, wie z.B. ungleichmäßige Aufheiz- und Abkühlraten, Eigenspannungen, Kristallisation, minderwertige Oberflächenqualität und inhärente strukturelle Defekte. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Struktur-Eigenschafts-Beziehungen eines Zr-basierten SLM-bearbeiteten MG einschließlich der Charakterisierung von Mikrostrukturen, des Einflusses von Druckfehlern auf die mechanischen Eigenschaften und der damit verbundenen Modellierung und Simulation. Zunächst wurde eine detaillierte Studie zur mikrostrukturellen Charakterisierung von vier Zr-basierten MG durchgeführt, die unter verschiedenen SLM-Bedingungen verarbeitet wurden. Die amorphe Struktur wurde mittels Röntgenbeugung verifiziert. Die innere Porenstruktur wurde mit Hilfe von zerstörungsfreier Röntgen-Mikro-CT und Rasterelektronenmikroskopie bewertet. Es wurden sowohl unregelmäßige Fusionsporen als auch gasinduzierte runde Poren beobachtet. Härtetests mit verschiedenen Prüfbelastungen ergaben, dass die intrinsischen Eigenschaften nahezu unabhängig von den Verarbeitungsparametern sind, während die makroskopischen Eigenschaften stark von der globalen Porosität abhängen. Eine tiefere Struktur-Eigenschafts-Beziehung wurde hergestellt, indem die Strukturfehler experimentell und numerisch mit der Zugfestigkeit korreliert wurden. Unter einachsigem Zug brechen 3D-gedruckte MG auf Zr-Basis spröde. Die Zugfestigkeit zeigt eine lineare Abnahme mit zunehmender Porosität, während der E-Modul im Bereich niedriger Porosität nahezu konstant bleibt. Durch Finite-Elemente-Simulationen erfasste ausgeprägte Scherbandbildungsereignisse weisen auf unterschiedliche Bruchmechanismen zwischen ideal defektfreien und defekthaltigen Proben hin. Schließlich wurde ein thermodynamisch konsistentes nicht-lokales Schadensmodell entwickelt. Das vorgeschlagene Schadensmodell berücksichtigt endliche Verformung, schadensinduzierte Anisotropie und Zug-Druck-Asymmetrie (TCA). Die elastisch-viskoplastische Reaktion, einschließlich der Normalspannungssensitivität und der plastischen Dilatanz, wurde durch das Mohr-Coulomb-Kriterium charakterisiert. Für die Definition des Schadenstensors zweiter Stufe wurde ein Mehrflächenschadenskonzept gewählt. Das vorgestellte Schadensmodell reproduzierte die Scherbandmuster und die Kraft-Weg-Zusammenhänge in Biegeversuchen sowohl an ungekerbten als auch an gekerbten Mikrokragträgern mit sehr hoher Genauigkeit. Parameterstudien zum Regularisierungsgrad und zur TCA wurden ebenfalls durchgeführt. Aufgrund der gradientenartigen Erweiterung des Freie-Energie-Funktion als liefern die Finite-Elemente-Berechnungen netzobjektive Ergebnisse.