Sprunghafte Mikrowelt

Was mit Materialien unter mechanischer Belastung im Mikrobereich  geschieht

Mikromechanische Bauteile werden immer kleiner, ihre Anwendungsgebiete immer größer. Sie reichen von der Fahrzeugindustrie bis zur Medizintechnik. Umso wichtiger ist es, herauszufinden, wie sich mikromechanische Bauteile unter mechanischen Belastungen verhalten.

Christian Motz, Materialwissenschaftler am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und zurzeit mit einem Erwin-Schrödinger-Stipendium des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) an der Universität Karlsruhe, gelang gemeinsam mit Kollegen erstmals mittels 3D Computersimulationen zu beschreiben, was bei der Verformung von kristallinen Materialien, zu denen auch Metalle und deren Legierungen gehören, im Mikrobereich geschieht. Die Ergebnisse wurden im Fachblatt "Science" (Vol. 318, S. 251-254, Ausgabe vom 12. Oktober 2007) publiziert.

Unter mechanischer Belastung verformen sich viele kristalline Materialien plastisch. Diese irreversible Verformung wird durch kollektive Bewegung von Gitterdefekten, den so genannten Versetzungen, hervorgerufen. In den üblichen technischen Dimensionen erscheint diese Verformung homogen, beziehungsweise läuft meist "glatt" oder "kontinuierlich" ab.

Interessiert man sich jedoch im Rahmen der Mikrosystemtechnik oder der Nanotechnologien für derartige Verformungen in kleinen Dimensionen und an mikroskopischen Komponenten, stellt man fest, dass die Verformung sprunghaft - in so genannten Dehnungssprüngen - erfolgt.

Dieses Verhalten wurde bereits in vielen Experimenten, wie sie auch am Erich-Schmid Institut der ÖAW durchgeführt werden, bestätigt. Mit Hilfe statistischer Analysen des Verformungsverhaltens in Experiment und Simulation konnten die Forscher nun eine universelle Verteilungsfunktion dieser Dehnungssprünge finden. Ähnliche Verteilungsfunktionen können zum Beispiel auch zur Beschreibung von Lawinen und Erdbeben herangezogen werden.

Die Ergebnisse der Materialforscher zeigen ein grundlegendes Problem, welches sich auf die weitere Miniaturisierung von Bauteilen auswirken könnte: Wo und wann Bauteile im Mikro- oder Nanobereich - wie beispielsweise sehr dünne Drähte - biegen oder brechen wird vom Zufall beeinflusst. Es kann möglicherweise nicht genau vorhergesagt werden.


Publikation:
Ferenc F. Csikor, Christian Motz, Daniel Weygand, Michael Zaiser, and Stefano Zapperi: Dislocation Avalanches, Strain Bursts, and the Problem of Plastic Forming at the Micrometer Scale. Science 12 Oktober 2007 318: 251-254
Abstract


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