SPP 1713:  Stark gekoppelte thermo-chemische und thermo-mechanische Zustände in Angewandten Materialien

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Chemie ; Maschinenbau und Produktionstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237105621

Viele anwendungsnahe Materialien wie Metalle und Polymere bestehen aus mehreren verschiedenen Phasen. Ihre Eigenschaften hängen entscheidend von der Phasenstruktur ab, das heißt dem Anteil und der Verteilung der einzelnen Phasen, ihrer Zusammensetzung und molekularen Struktur. Chemische Aspekte beeinflussen die mechanischen Eigenschaften ebenso, wie mechanische Last auf die Chemie der Werkstoffe rückwirkt. Diese starke Wechselwirkung findet ihren Eingang in das thermophysikalische Funktional des Materials, das sich einerseits aus einem thermo-chemischen und andererseits aus einem temperaturabhängigen mechanischen Teil zusammensetzt. Das Verständnis der Wechselwirkung beider Teile ist das zentrale Anliegen des Schwerpunktprogramms.
Menschliches Haar, ein bekanntes Beispiel eines Form-Gedächtnis-Polymers, wechselt seine lockige Form, wenn es Wasser aufnimmt, und erlangt sie zurück beim Trocknen. Auch Metalle, die wir gewöhnlich als "leblosen" Körper betrachten, zeigen eine starke mechanische Wirkung, wenn sich ihre Zusammensetzung ändert. Sie expandieren oder ziehen sich zusammen, indem sich neue kristallografische Phasen bilden, und zeigen eine makroskopische Formänderung, wenn sich das Kristallgitter dreht. Im Gegenzug kann externe Last Phasenübergänge fördern oder verhindern, sowohl in Metallen als auch in Polymeren. Dies wird in nahezu allen Materialien in technischen Anwendungen genutzt, um die Mikrostruktur weit weg vom thermodynamischen Gleichgewichtszustand zu stabilisieren. Dies geschieht durch die interne Balance von chemischen und mechanischen Kräften und garantiert so die Eigenschaften der Materialien.
Der einseitige Fokus auf mechanische oder chemische Aspekte in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen entspringt guter wissenschaftlicher Tradition: Theoretische Modelle werden für Fälle entwickelt, in denen verschiedene Phänomene gut unterschiedlich beobachtet werden können. In diesen Fällen ist eine eindeutige Ursache-Wirkungs-Beziehung gegeben. In diesem Schwerpunktprogramm wollen wir diese Trennung überwinden. Wir wollen etablierte Zugänge aus dem Bereich Computerunterstützte Thermodynamik‚ Kontinuumsmechanik und Materialtheorie als auch Polymerwissenschaften und Metallurgie kombinieren, um Materialien mit starker Wechselwirkung zwischen Thermo-Chemie und Thermo-Mechanik zu verstehen. Das Schwerpunktprogramm soll zu einem neuen Paradigma der physikalisch basierten Materialmodellierung beitragen, das die Prozesshistorie ebenso berücksichtigt wie externe chemo-mechanische Lasten. Es soll einsetzbar sein zur Optimierung von Materialien zur technischen Anwendung für eine nachhaltige Ökonomie.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Österreich, Tschechische Republik, USA

Projekte

• Entwicklung verfestigender Phasen unter Betriebsspannungen und -temperaturen: Phasenfeld-Modellierungen und experimentelle Untersuchungen (Antragstellerinnen / Antragsteller Darvishi Kamachali, Reza ;  Skrotzki, Birgit )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Steinbach, Ingo )
• Mechanisch-chemische Kopplung während der Bildung von Ausscheidungen in Al-basierten Legierungen (Antragsteller Divinski, Sergiy ;  Hickel, Tilmann )
• Modellierung der bainitischen Umwandlung beim Presshärten (Antragsteller Hunkel, Martin ;  Prahl, Ulrich ;  Spatschek, Robert )
• Modellierung des stark gekoppelten magneto-mechanischen Verhaltens magnetosensitiver Elastomere (Antragstellerinnen / Antragsteller Grenzer, Marina ;  Kästner, Markus )
• Modellierung von ionischen Elektroaktiven Polymeren - Konsistente Formulierung der thermo-elektro-chemomechanischen Kopplungseffekte und Finite-Elemente Diskretisierung (Antragsteller Bluhm, Joachim ;  Schröder, Jörg )
• Phasenfeld-basierte chemomechanische Modelle für Phasenübergänge und Versetzungs-Mikrostruktur-Interaktion in metallischen Legierungen mit Anwendung auf Kappa-Karbide (Antragsteller Roters, Franz ;  Svendsen, Robert )
• Thermo-chemo-mechanische Kopplung während der thermomechanischen Prozessierung von mikrolegierten Stählen (Antragsteller Helm, Dirk ;  Raabe, Dierk )
• Untersuchung des Einflusses der thermo-mechanischen und chemo-mechanischen Kopplung auf die funktionellen und strukturellen Eigenschaften von Formgedächtnispolymeren II: Einfluss überlagerter mechanischer Spannungen auf die chemo-mechanische Kopplung und Grenzen des starken Kopplungsansatzes (Antragsteller Eggeler, Gunther ;  Steeb, Holger ;  Varnik, Fathollah )
• Vergröberung und Wachstum von meta-stabilen gamma''-Ausscheidungen in Nickelbasis Superlegierungen (Antragsteller Glatzel, Uwe )

• Sprecher: Professor Dr. Ingo Steinbach