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Teilprojekt im DFG SPP 1594: Topological Engineering of Ultra-Strong Glasses

Einfluss der Glasstruktur auf die lokalen mechanischen Eigenschaften von Borosilikatgläsern

Ziel des Teilprojektes ist es, das Verständnis des Verformungsverhaltens von Borosilikatgläsern zu erweitern. Der Einfluss der Glasstruktur wird hierbei durch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen oder Prozessparameter realisiert. Die mechanischen Eigenschaften auf lokaler Skala werden mittels Indentierungsversuchen dargestellt.

Borosilikatgläser reagieren auf eine solche äußere Belastung auf drei verschiedene Weisen: Das Material beginnt sich strukturell zu verdichten, plastisch zu fließen oder mit der Initiierung von Rissen. Um all diese Aspekte zu beleuchten, werden die geprüften Gläser anschließend per Raman Spektroskopie und Rasterkraft Mikroskopie untersucht. Dies erlaubt eine Bestimmung der Materialverdichtung und gibt Aufschluss über sink-in oder pile-up Formierungen im Randgebiet der Eindrücke. FEM Simulationen werden genutzt, um die komplexen elastisch-plastischen Spannungs-/Dehnungs-Zustände im Material abzubilden und den Einfluss hydrostatischer Spannungen auf das Fließverhalten und die anschließende Verformung im Material zu verstehen. Plastisches Materialverhalten wird mit den Modellen von von Mises, Drucker-Prager und Mohr-Coulomb abgebildet und die Unterschiede der Materialmodelle aufgezeigt. Das Einsetzen kohäsiver Elemente entlang der Indenter-Kanten erlaubt zudem das Abbilden der Rissausbreitung während der Indentierung. Die Ergebnisse der Simulationen sollen in Korrelation mit den experimentellen Ergebnissen dazu dienen, die optimalen Materialparameter für eine Steigerung von Festigkeit und Bruchzähigkeit der Borosilikatgläser zu bestimmen.