Die Arbeit ruht auf zwei Säulen: Die eine besteht in der Aufbereitung, Erprobung und konsequenten Anwendung von Methoden der Skaleninvarianzanalyse, die andere in einem breiten Fundus an experimentellen Daten für aushärtbare Aluminiumknetlegierungen in der Form dünner Bleche, die unter gleichartigen, streng kontrollierten Bedingungen gewonnen worden sind. Als methodische Weiterentwicklungen sind die Fundierung des Umgangs mit der algebraischen Korrelation zwischen Vorfaktor und Exponent einer beliebigen Potenzgleichung, die Übertragung des Ansatzes der finiten Skaleninvarianz auf die Ermüdungsrißausbreitung sowie die Kombination der Idee eines geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes mit der Dimensionsanalyse der umgebungsabhängigen Ermüdungsrißausbreitung bis hin zur Kartierung der geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu nennen. Auf experimenteller Seite wurde eine Datensammlung mit gemessenen Streubändern für die Ermüdungsrißausbreitung und das Verfestigungsverhalten von 39 Orientierungen bzw. Auslagerungszuständen von Aluminiumlegierungen aufgebaut. Diese Sammlung wird durch ausgewählte Messungen der Ermüdungsrißausbreitung im schwellenwertnahen Bereich, Restfestigkeitsversuche, Rißschließmessungen, Rauheitsmessungen an Bruchflächen, frequenzabhängige Messungen zum Umgebungseinfluß sowie Untersuchungen an drei Stählen und einer Magnesiumlegierung sinnvoll ergänzt. Auf der Basis der Meßdaten und der Analysemethoden wurde der Werkstoffeinfluß auf die Ermüdungsrißausbreitung in dünnen Blechen aus Aluminiumknetlegierungen bei Belastung mit konstanter Amplitude im Gültigkeitsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik untersucht. Dabei wurden folgende Größen als wesentliche Einflußfaktoren identifiziert: - für die Gruppenzugehörigkeit: der Kohärenz- und Ordnungsgrad der festigkeitsbestimmenden Ausscheidungen und die resultierende Gleitverteilung, - für den gemeinsamen Vorfaktor der Legierungen der Gruppe 1: die elastischen Eigenschaften und das Spannungsverhältnis (Translation der Paris-Geraden), - für die Exponenten der Legierungen der Gruppe 1: 0,2%-Dehngrenze, athermischer Verfestigungsparameter, Probendicke und Kc-Wert als dimensionsloses Potenzprodukt (Rotation der Paris-Geraden), - für die Legierungen der Gruppe 2: das Ausmaß der Rißablenkung und eine bleibende Mode-II-Komponente der Rißöffnungsverschiebung, - für den Umgebungseinfluß der Legierung 6013 T6: Frequenz und Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors. Die Diskussion umfaßt den wertenden Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Befunden und Modellen aus der Literatur, Erklärungsansätze für die Ursachen der Einflußnahme der wesentlichen Parameter sowie einen Modellansatz für die Legierungen der Gruppe 1 auf der Basis einer Mischungsregel. Dabei hatte sich erwiesen, daß keines der aus der Literatur bekannten Modelle alle Befunde richtig wiedergibt. Einige der ausgearbeiteten Erklärungsansätze bedürfen der zukünftigen Vertiefung. / The work is based upon two essentials: the first one is the preparation and application of techniques of scale invariance analysis, the second one consists in a database of experimental results for heat-treatable thin-sheet wrought aluminium alloys obtained under uniform conditions. Progress with respect to methodology was achieved regarding, first, the algebraic correlation between sets of coefficients and exponents of any power law, second, the transfer of the concept of finite scale invariance to the phenomenon of fatigue crack growth (FCG), and third, the combination of the ideas of a rate-controlling step and dimensional analysis of environmental-assisted FCG including the mapping of rate-controlling steps. In the experimental part, a database containing both measured scatterbands of FCG and strengthening characteristics for several orientations and aging conditions of aluminium alloys amounting to a total of 39 different material conditions was established. This database was supplemented with results of selected measurements of near-threshold FCG rates, residual strength, crack closure, roughness of fatigue cracks, and frequency-dependent environmental-assisted FCG as well as investigations of three plain-carbon steels and a magnesium alloy. Based on these prerequisites, the influence of the material on the FCG behaviour of thin-sheet wrought aluminium alloys under constant-amplitude loading was investigated within the limits of validity of linear-elastic fracture mechanics. The following influence factors were identified to be essential: The assignment of alloys to one out of two groups is mainly determined by the degrees of coherency and order of the strength-controlling precipitates and the resulting type of slip distribution. The normalized-Paris-law coefficient for the first group is mainly dependent on the modulus of elasticity and the stress ratio. The Paris-law exponents for the first group are dominated by a dimensionless power monomial of the 0.2% proof stress, the athermal strengthening coefficient, sheet thickeness and the critical stress intensity factor. The retardation of the FCG rates of alloys of the second group relative to the first group is mainly determined by the amount of crack deflection and by a residual mode-II component of crack opening displacement. Finally, the environment-assisted FCG for aluminium alloy 6013 T6 reveals a coupled dependence on loading frequency and cyclic stress intensity factor. The discussion covers the evaluation of the results in relation to observations and models from the literature, the explanation of the modes of operation of the major influence factors and a model based on a mixing rule for the alloys of the first group. It turned out that there is not any model that reflects all of the observations simultaneously. Some of the ideas presented require to be worked out in more detail.

Der wasserstofffreie tetraedrisch amorphe Kohlenstoff (ta C) weist aufgrund seiner einzigarti-gen Eigenschaftskombination eine hervorragende Eignung als Schichtmaterial für viele An-wendungen auf. Seine begrenzte Schadenstoleranz und Temperaturstabilität schränken die Verwendung jedoch ein. Eine Möglichkeit zur Verbesserung könnte die Zugabe geeigneter Dotierungselemente sein. In der Literatur wurde die Dotierung von ta-C dafür bisher kaum in Betracht gezogen. Obwohl vereinzelte Publikationen ein gewisses Potenzial erkennen lassen, fehlt ein systematisches und umfassendes Verständnis über die Beziehung zwischen der che-mischen Natur des Dotierstoffs, der Mikrostrukur der Schicht und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, die Schadenstoleranz und die Temperaturstabilität. Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke. Zu diesem Zweck wurden dotierte ta C:X-Schichten (X = B, Si, Mo, Fe oder Cu) mit je einer festen Elementkonzentrati-on unter identischen Bedingungen hergestellt und vor sowie nach einer Temperung an Luft und im Vakuum untersucht. Es zeigte sich, dass die Elementzugabe im Allgemeinen zur Stö-rung des sp3-Netzwerks des Kohlenstoffs und so zur Erhöhung des sp2-Anteils und der sp2-Cluster im Kohlenstoff führte, wodurch sich die Härte, der Elastizitätsmodul und, außer im Fall von a C:Mo, auch die Eigenspannungen verringerten. Das Ausmaß dieser Veränderungen war elementabhängig, wobei die Bindungsart der Dotierstoffe zum Kohlenstoff, deren Atom-radius und deren Beeinflussung der Plasmaenergie als wichtige Einflussgrößen identifiziert wurden. Für die metallisch dotierten Schichten (a C:Mo, a C:Fe, a C:Cu) traten als zusätzli-che Gefügeanteile turbostratischer Kohlenstoff und Molybdänkarbid- (für a C:Mo) bezie-hungsweise Kupferkristallite (für a C:Cu) auf. Interessanterweise führte die Dotierung in den meisten Fällen zu einer erheblichen Reduktion an Abscheidungsdefekten. Die Schadenstoleranz wurde mittels Biegung, Indentations- und progressiver sowie zyklischer Ritzprüfung untersucht, wobei sehr unterschiedliche Beanspruchungszustände auftraten. Als methodische Voraussetzung dafür waren, insbesondere beim Indentations- und zyklischen Ritztest, geeignete Kriterien zur Bewertung der Schadenstoleranz sowie ein fundiertes Ver-ständnis der Schädigungsentwicklung zu erarbeiten. Der zyklische Ritztest erwies sich als gut geeignet zur direkten Gegenüberstellung unterschiedlicher Beanspruchungszustände anhand verschiedener unterkritischer Laststufen und zur Bewertung des niederzyklischen Versagens-verhaltens. Für eine hohe Schadenstoleranz im Fall starker lokaler Verformungen waren in allen Versuchen eine geringere Härte, ein duktileres Verformungsverhalten, eine geringe Dichte an Abscheidungsdefekten und höhere Schichtdicken von Vorteil. Unter Beibehaltung einer sehr hohen Härte zeigte ta C:B eine geringfügig bessere Schadenstoleranz als ta-C. Die höchste Schadenstoleranz bei häufig ausreichender Härte von über 25 GPa wies a C:Mo auf. Die Untersuchungen nach dem Tempern zeigten, dass die Temperaturbeständigkeit generell mit geringerem sp3-Anteil der Kohlenstoffphase abnimmt. Im Vakuum waren demnach die sp3-reichen Schichten ta-C, ta C:B und ta C:Si am stabilsten. Dabei wurde sogar eine signifi-kante Härtesteigerung beobachtet. An Luft sind außerdem die Oxidationsneigung der Dotie-relemente und die Hemmwirkung der entstehenden Oxidschicht gegen weitere Oxidation re-levant. Eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit konnte für ta-C:Si und ta-C:B nachge-wiesen werden. Als wichtige Einschränkung wurde die Haftungsverminderung nach dem Tempern aufgrund der Oxidation der Chrom-Zwischenschicht festgestellt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Mechanisches Werkstoffverhalten 2.1.1 Elastizitätsmodul und Härte 2.1.2 Werkstoffversagen und Bruchmechanik 2.1.3 Eigenspannungen 2.2 Wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff 2.2.1 Modifikationen des Kohlenstoffs 2.2.2 Arten der Kohlenstoffschichten 2.2.3 Herstellung von (t)a-C 2.2.4 Eigenschaften von (t)a-C 2.2.5 Anwendungsgebiete von (t)a-C 3 Stand der Technik 3.1 Mechanische Schichtanalytik 3.1.1 Dornbiegung 3.1.2 Instrumentierte Eindringprüfung 3.1.3 Progressiver Ritztest 3.1.4 Abschätzung der Schadenstoleranz anhand von Härte und E-Modul 3.1.5 Zyklischer Ritztest 3.1.6 Eigenspannungsmessung 3.2 Strukturelle Schichtanalytik 3.2.1 Kalottenschliff 3.2.2 Raman-Spektroskopie 3.2.3 Transmissionselektronenmikroskopie 3.2.4 Makropartikel 3.2.5 Rauheit 3.2.6 Energiedispersive Röntgenspektroskopie 3.3 Dotierung von (t)a-C 3.4 Temperaturstabilität von (t)a-C(:X) 3.4.1 Inerte Atmosphäre 3.4.2 Oxidierende Atmosphäre 3.4.3 Effekte der Dotierung 4 Zielstellung der Arbeit 5 Experimentelles Vorgehen 5.1 Prüfkörpermaterial 5.1.1 Substratwerkstoffe 5.1.2 Schichtherstellung 5.2 Tempern 5.2.1 Tempern im Vakuum 5.2.2 Tempern an Luft 5.3 Charakterisierungsmethoden 5.3.1 Instrumentierte Eindringprüfung 5.3.2 Kalottenschliff 5.3.3 Eigenspannungen 5.3.4 Progressiver Ritztest 5.3.5 Zyklischer Ritztest 5.3.6 Indentations-Riss-Versuche 5.3.7 Dornbiegung 5.3.8 Raman-Spektroskopie 5.3.9 Elektronenmikroskopie 5.3.10 Rauheit 5.3.11 Partikelflächenbelegung 6 Ergebnisse 6.1 Allgemeine Charakterisierung 6.2 Strukturuntersuchungen 6.3 Dornbiegung 6.4 Indentations-Riss-Versuche 6.4.1 Rissarten bei der Indentation 6.4.2 Versagenslasten bei der Indentation 6.4.3 Bestimmung der Bruchzähigkeit aus Indentations-Riss-Versuchen 6.5 Progressiver Ritztest 6.6 Zyklischer Ritztest 6.7 Tempern 6.7.1 Tempern im Vakuum 6.7.2 Tempern an Luft 7 Diskussion 7.1 Struktur und mechanische Eigenschaften von (t)a-C:X 7.2 Versagensarten im Indentations-Riss-Versuch 7.3 Bewertung der Schadenstoleranz 7.4 Temperaturstabilität 7.5 Schadenstoleranz nach dem Tempern 8 Zusammenfassung und Ausblick Danksagung Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Formelverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang: Zusätzliche Ergebnisse und Diskussion / Hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon (ta-C) is an excellent coating material for many applications due to its unique combination of properties,. However, its limited damage toler-ance and temperature stability limit its use. One possibility for improvement could be the addi-tion of suitable doping elements. The doping of ta-C for this purpose has hardly been consid-ered in the literature, so far. Although a few publications indicate some potential, a systematic and comprehensive understanding of the relationship between the chemical nature of the do-pant, the microstructure of the coating and its effects on mechanical properties, damage toler-ance and temperature stability is lacking. The present work is a contribution to fill this gap. For this purpose, doped ta C:X coatings (X = B, Si, Mo, Fe or Cu) with a fixed element concentration were prepared under identical conditions and investigated before and after annealing in air and in vacuum. It was found that the addition of elements generally led to disruption of the sp3 network of the carbon and thus to an increase in the sp2 fraction and the sp2 clusters in the carbon, which reduced the hard-ness, the Young’s modulus and, except in the case of a C:Mo, also the residual stresses. The extent of these changes depended on the element, with its type of bonding to the carbon, its atomic radius and its influence on the plasma energy identified as important influencing varia-bles. For the metallically doped coatings (a C:Mo, a C:Fe, a C:Cu), turbostratic carbon and molybdenum carbide (for a C:Mo) and copper crystallites (for a C:Cu) appeared as additional microstructural components. Interestingly, in most cases the doping led to a considerable re-duction in deposition defects. Damage tolerance was investigated using mandrel bending, indentation, progressive and cyclic scratch tests, which produce very different stress situations. As a methodological requirement, it was necessary to develop appropriate criteria for evaluating damage tolerance and a sound understanding of damage evolution, particularly for the indentation and cyclic scratch tests. The cyclic scratch test was found to be well suited for directly comparing different stress states based on different subcritical load levels and for evaluating low-cycle fatigue behavior. In all tests, lower hardness, more ductile deformation behavior, lower defect density, and higher coating thicknesses were advantageous for high damage tolerance in case of strong localized deformation. Ta C:B showed a slightly better damage tolerance than ta C while retaining a very high hardness. The highest damage tolerance with often sufficient hardness above 25 GPa was shown by a C:Mo. The post-annealing investigations showed that the temperature resistance generally decreases with a lower sp3 fraction of the carbon phase. Accordingly, the sp3-rich ta-C, ta-C:B and ta-C:Si coatings were the most stable in vacuum. A significant increase in hardness was even ob-served. In air, the oxidation tendency of the dopant elements and the inhibiting effect of the resulting oxide layer against further oxidation are also relevant. For ta C:Si and ta C:B, an im-provement in oxidation resistance was demonstrated. The reduction in adhesion after anneal-ing due to oxidation of the chromium interlayer was identified as an important limitation.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Mechanisches Werkstoffverhalten 2.1.1 Elastizitätsmodul und Härte 2.1.2 Werkstoffversagen und Bruchmechanik 2.1.3 Eigenspannungen 2.2 Wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff 2.2.1 Modifikationen des Kohlenstoffs 2.2.2 Arten der Kohlenstoffschichten 2.2.3 Herstellung von (t)a-C 2.2.4 Eigenschaften von (t)a-C 2.2.5 Anwendungsgebiete von (t)a-C 3 Stand der Technik 3.1 Mechanische Schichtanalytik 3.1.1 Dornbiegung 3.1.2 Instrumentierte Eindringprüfung 3.1.3 Progressiver Ritztest 3.1.4 Abschätzung der Schadenstoleranz anhand von Härte und E-Modul 3.1.5 Zyklischer Ritztest 3.1.6 Eigenspannungsmessung 3.2 Strukturelle Schichtanalytik 3.2.1 Kalottenschliff 3.2.2 Raman-Spektroskopie 3.2.3 Transmissionselektronenmikroskopie 3.2.4 Makropartikel 3.2.5 Rauheit 3.2.6 Energiedispersive Röntgenspektroskopie 3.3 Dotierung von (t)a-C 3.4 Temperaturstabilität von (t)a-C(:X) 3.4.1 Inerte Atmosphäre 3.4.2 Oxidierende Atmosphäre 3.4.3 Effekte der Dotierung 4 Zielstellung der Arbeit 5 Experimentelles Vorgehen 5.1 Prüfkörpermaterial 5.1.1 Substratwerkstoffe 5.1.2 Schichtherstellung 5.2 Tempern 5.2.1 Tempern im Vakuum 5.2.2 Tempern an Luft 5.3 Charakterisierungsmethoden 5.3.1 Instrumentierte Eindringprüfung 5.3.2 Kalottenschliff 5.3.3 Eigenspannungen 5.3.4 Progressiver Ritztest 5.3.5 Zyklischer Ritztest 5.3.6 Indentations-Riss-Versuche 5.3.7 Dornbiegung 5.3.8 Raman-Spektroskopie 5.3.9 Elektronenmikroskopie 5.3.10 Rauheit 5.3.11 Partikelflächenbelegung 6 Ergebnisse 6.1 Allgemeine Charakterisierung 6.2 Strukturuntersuchungen 6.3 Dornbiegung 6.4 Indentations-Riss-Versuche 6.4.1 Rissarten bei der Indentation 6.4.2 Versagenslasten bei der Indentation 6.4.3 Bestimmung der Bruchzähigkeit aus Indentations-Riss-Versuchen 6.5 Progressiver Ritztest 6.6 Zyklischer Ritztest 6.7 Tempern 6.7.1 Tempern im Vakuum 6.7.2 Tempern an Luft 7 Diskussion 7.1 Struktur und mechanische Eigenschaften von (t)a-C:X 7.2 Versagensarten im Indentations-Riss-Versuch 7.3 Bewertung der Schadenstoleranz 7.4 Temperaturstabilität 7.5 Schadenstoleranz nach dem Tempern 8 Zusammenfassung und Ausblick Danksagung Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Formelverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang: Zusätzliche Ergebnisse und Diskussion

Die Arbeit ruht auf zwei Säulen: Die eine besteht in der Aufbereitung, Erprobung und konsequenten Anwendung von Methoden der Skaleninvarianzanalyse, die andere in einem breiten Fundus an experimentellen Daten für aushärtbare Aluminiumknetlegierungen in der Form dünner Bleche, die unter gleichartigen, streng kontrollierten Bedingungen gewonnen worden sind. Als methodische Weiterentwicklungen sind die Fundierung des Umgangs mit der algebraischen Korrelation zwischen Vorfaktor und Exponent einer beliebigen Potenzgleichung, die Übertragung des Ansatzes der finiten Skaleninvarianz auf die Ermüdungsrißausbreitung sowie die Kombination der Idee eines geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes mit der Dimensionsanalyse der umgebungsabhängigen Ermüdungsrißausbreitung bis hin zur Kartierung der geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu nennen. Auf experimenteller Seite wurde eine Datensammlung mit gemessenen Streubändern für die Ermüdungsrißausbreitung und das Verfestigungsverhalten von 39 Orientierungen bzw. Auslagerungszuständen von Aluminiumlegierungen aufgebaut. Diese Sammlung wird durch ausgewählte Messungen der Ermüdungsrißausbreitung im schwellenwertnahen Bereich, Restfestigkeitsversuche, Rißschließmessungen, Rauheitsmessungen an Bruchflächen, frequenzabhängige Messungen zum Umgebungseinfluß sowie Untersuchungen an drei Stählen und einer Magnesiumlegierung sinnvoll ergänzt. Auf der Basis der Meßdaten und der Analysemethoden wurde der Werkstoffeinfluß auf die Ermüdungsrißausbreitung in dünnen Blechen aus Aluminiumknetlegierungen bei Belastung mit konstanter Amplitude im Gültigkeitsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik untersucht. Dabei wurden folgende Größen als wesentliche Einflußfaktoren identifiziert: - für die Gruppenzugehörigkeit: der Kohärenz- und Ordnungsgrad der festigkeitsbestimmenden Ausscheidungen und die resultierende Gleitverteilung, - für den gemeinsamen Vorfaktor der Legierungen der Gruppe 1: die elastischen Eigenschaften und das Spannungsverhältnis (Translation der Paris-Geraden), - für die Exponenten der Legierungen der Gruppe 1: 0,2%-Dehngrenze, athermischer Verfestigungsparameter, Probendicke und Kc-Wert als dimensionsloses Potenzprodukt (Rotation der Paris-Geraden), - für die Legierungen der Gruppe 2: das Ausmaß der Rißablenkung und eine bleibende Mode-II-Komponente der Rißöffnungsverschiebung, - für den Umgebungseinfluß der Legierung 6013 T6: Frequenz und Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors. Die Diskussion umfaßt den wertenden Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Befunden und Modellen aus der Literatur, Erklärungsansätze für die Ursachen der Einflußnahme der wesentlichen Parameter sowie einen Modellansatz für die Legierungen der Gruppe 1 auf der Basis einer Mischungsregel. Dabei hatte sich erwiesen, daß keines der aus der Literatur bekannten Modelle alle Befunde richtig wiedergibt. Einige der ausgearbeiteten Erklärungsansätze bedürfen der zukünftigen Vertiefung. / The work is based upon two essentials: the first one is the preparation and application of techniques of scale invariance analysis, the second one consists in a database of experimental results for heat-treatable thin-sheet wrought aluminium alloys obtained under uniform conditions. Progress with respect to methodology was achieved regarding, first, the algebraic correlation between sets of coefficients and exponents of any power law, second, the transfer of the concept of finite scale invariance to the phenomenon of fatigue crack growth (FCG), and third, the combination of the ideas of a rate-controlling step and dimensional analysis of environmental-assisted FCG including the mapping of rate-controlling steps. In the experimental part, a database containing both measured scatterbands of FCG and strengthening characteristics for several orientations and aging conditions of aluminium alloys amounting to a total of 39 different material conditions was established. This database was supplemented with results of selected measurements of near-threshold FCG rates, residual strength, crack closure, roughness of fatigue cracks, and frequency-dependent environmental-assisted FCG as well as investigations of three plain-carbon steels and a magnesium alloy. Based on these prerequisites, the influence of the material on the FCG behaviour of thin-sheet wrought aluminium alloys under constant-amplitude loading was investigated within the limits of validity of linear-elastic fracture mechanics. The following influence factors were identified to be essential: The assignment of alloys to one out of two groups is mainly determined by the degrees of coherency and order of the strength-controlling precipitates and the resulting type of slip distribution. The normalized-Paris-law coefficient for the first group is mainly dependent on the modulus of elasticity and the stress ratio. The Paris-law exponents for the first group are dominated by a dimensionless power monomial of the 0.2% proof stress, the athermal strengthening coefficient, sheet thickeness and the critical stress intensity factor. The retardation of the FCG rates of alloys of the second group relative to the first group is mainly determined by the amount of crack deflection and by a residual mode-II component of crack opening displacement. Finally, the environment-assisted FCG for aluminium alloy 6013 T6 reveals a coupled dependence on loading frequency and cyclic stress intensity factor. The discussion covers the evaluation of the results in relation to observations and models from the literature, the explanation of the modes of operation of the major influence factors and a model based on a mixing rule for the alloys of the first group. It turned out that there is not any model that reflects all of the observations simultaneously. Some of the ideas presented require to be worked out in more detail.