Plastizität und Skaleneffekte sowie Deformations-und Versagensmodellierung dünner metallischer Schichten bei Nanoindentation
Andreas Trondl
Der Einsatz von Dünnschichtsystemen hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Anwendungsgebiet sind metallische Schutzschichten z.B. gegen Verschleiß bzw. Korrosion, als Wärmeschutz, für spezielle optische Eigenschaften und viele weitere Bereiche. Die Eignung dünner Schichten beruht darauf, dass sie oft ein Verhalten zeigen, welches von dem massiver Körper aus demselben Material signifikant abweicht. Um ihr mechanisches Verhalten zu beschreiben sind für dünne Schichten meist spezielle Modelle notwendig, da konventionelle Theorien hierzu kaum in der Lage sind. Vielversprechende Ansätze betten dabei mikromechanisch motivierte Modelle in den Rahmen konventioneller kontinuumsmechanischer Beschreibung ein und erweitern dadurch deren Anwendbarkeit auf Längenskalen bis in den Nanobereich. Ein repräsentativer Vertreter dieser Materialmodelle ist das Mechanism Based Strain Gradient Plastizitätsmodell, welches zur Simulation des Deformationsverhaltens von Kupferdünnschichten in dieser Arbeit verwendet wurde. Die Behandlung und Implementierung von Verschiebungsgradienten 2. Ordnung im Rahmen impliziter Integrationsverfahren der Finiten Elemente Technologie ist einer der Schwerpunkte dieser Arbeit. Des Weiteren wurde das Versagensverhalten an der Grenz- und in der Dünnschicht mittels eines Kohäsivzonenmodells untersucht. Das vorgestellte Gesamtmodell zur Simulationen der Nanoindentation ermöglicht detaillierte Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von Dünnschichten, da Eigenschaften wie Skaleneffekte, Pop-In oder Piling-Up gut abgebildet werden können. Die Inhalte dieser Arbeit stellen einen Beitrag zum tieferen Verständnis des Deformationsverhaltens dünner Schichten dar.
