FOR 714: Plasticity in Nanocrystalline Metals and Alloys
Final Report Abstract
Metalle mit einer Kristallitgröße im Bereich von 30nm und darunter zeichnen sich durch einzigartige mechanische Eigenschaften aus, die aus den geänderten oder gar völlig neuartigen Verformungsmechanismen bei derart kleinen Korngrößen resultieren. Ausgangspunkt der Forschung in der Forschergruppe war der Befund, dass das Verständnis dieser Mechanismen rudimentär und ihre Untersuchung in der aktuellen Forschung Gegenstand intensiven wissenschaftlichen Interesses waren. Die Bildung der Forschergruppe verfolgte die Absicht, die Expertise der Antragsteller auf den Arbeitsgebieten Nanomaterialien und mechanische Eigenschaften zu bündeln und zu fokussieren und so einen Schwerpunkt auf dem Gebiet der Plastizität von Nanomaterialien zu etablieren. Damit sollte auf diesem international sehr aktiven Arbeitsgebiet der Materialwissenschaften der Beitrag der Forschung aus Deutschland sichtbar gestärkt werden. Wichtigstes Alleinstellungsmerkmal der Forschung war die Konzentration auf die wenig untersuchte Stoffklasse am unteren Ende der Korngrößenskala, einphasige nanokristalline Volumenmaterialien mit einer Kristallitgröße im Bereich von 30nm und kleiner. Zu den wissenschaftlichen Zielen gehörten insbesondere die Aufklärung der Verformungsmechanismen und deren Abhängigkeit von den – zu identifizierenden – strukturellen Parametern und von Verformungsrate und Belastungsszenario. Das Arbeitsprogramm sah als wichtige Schritte unter anderem vor, dass Herstellungspfade für idealisierte, reproduzierbare und gut charakterisierte Modellmaterialien mit Korngrößen im unteren Nanometerbereich erschlossen werden, dass diese Proben durch alle experimentellen Arbeitsgruppen in der Forschergruppe geprüft und charakterisiert werden und dass diesen experimentellen Untersuchungen begeleitende und dediziert auf quantitative Vergleichbarkeit der Ergebnisse eingestellte atomistische Modellierung zur Seite gestellt wird. Insgesamt konnte der angestrebte Ansatz erfolgreich implementiert und genutzt werden. Die Ergebnisse bestätigen eine zentralen Ausgangshypothese: Für polykristalline Materialien mit Kristallitgrößen im unteren Nanometerbereich wird das Verformungsverhalten durch Mechanismen bestimmt, die sich qualitativ von denjenigen in konventioneller Materie abheben. Dabei heben die Erkenntnisse der Forschergruppe insbesondere die Rolle von Korngrenzen hervor. Diese bilden, wie auch in konventionellen Materialien, Hindernisse für die Versetzungsbewegung und bewirken insofern eine Festigkeitssteigerung. Abweichend vom konventionellen Verhalten stellen jedoch Korngrenzen in nanokristallinen Metallen und Legierungen einen zusätzlichen Verformungspfad zur Verfügung und bewirken damit auch eine konkurrierende Duktilisierung. Dazu tragen verschieden Mechanismen der Abgleitung in den Grenzflächenebenen bei, die unsere Forschung in phänomenologischer und atomistischer Hinsicht beleuchtet. Zu den assoziierten Prozessen gehören die Erhöhung der elastischen Nachgiebigkeit, Mikroplastizität bzw. ausgedehnte elastisch-plastische Übergänge, Mikroverzerrungen durch Inkompatibilitäten an Tripellinien, die Ausbildung mesoskopischer Gleitebenen sowie Kornrotation. Zudem können Korngrenzen auch als Quellen für Versetzungen wirken. Die vielen Freiheitsgrade für die Konfiguration von Korngrenzen, gerade auch in Legierungen, finden sich in den Erkenntnissen zum Einfluss von Kristallographie und Relaxation wieder. Sie sind auch kompatibel mit Übergängen zwischen Verformungsprozessen als Funktion der Temperatur. Auf der atomaren Ebene zeichnet sich mit der Analogie zu den Schertransformationszonen metallischer Gläser ein Bild ab, das die Befunde zukünftig einer einheitlichen Betrachtung zugänglich macht, die generell für entordnete kondensierte Materie gilt.
