Mechanisch-chemische Kopplung während der Bildung von Ausscheidungen in Al-basierten Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski; Dr. Tilmann Hickel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257547071

Al-Legierungen sind aufgrund des schnell wachsenden Bedarfs an hochfesten Leichtbaumaterialien eine industriell interessante Materialklasse. Die Kombination von extrem feinkörniger (ultra-fine grained; UFG) Mikrostrukturprozessierung, Stabilisierung der Korngröße und Ausscheidungshärtung eröffnet attraktive Wege um Halbzeuge mit hoher Stabilität und Dauerfestigkeit, exzellenter Zähigkeit und ausreichender Rissfestigkeit herzustellen. In Al-Sc-Legierungen beeinflusst die UFG-Mikrostruktur die Struktur, chemische Zusammensetzung und Verteilung der Ausscheidungen in der Al-Matrix massiv. In technischen Legierungen mit Zr, Ti, Mg und Mn Gehalten treten zusätzliche Phänomene wie die Bildung von Core-Shell-Nanopartikeln auf. Ziel dieses Projekts ist es daher, die für ein Verständnis der Ausscheidungsbildung und der mechanischen Eigenschaften wichtige Kopplung zwischen Thermochemie und -mechanik aufzuklären. Dies soll auch in der zweiten Projektphase durch ab initio basierte Simulationen, eng begleitet von direkt darauf abgestimmten Experimenten, erreicht werden. Die Untersuchung des Einflusses der starken elastischen Verspannungsfelder, die durch die Mikrostruktur und externe mechanische Beladung verursacht werden, auf die lokale Chemie und Thermodynamik soll dafür auf mehrkomponentige Systeme erweitert werden. Außerdem kommt ein neues kinetisches Monte-Carlo-Verfahren zur Anwendung, dass die Bildung von Sekundärphasen in mechanisch stark verspannten Regionen beschreibt. Der gekoppelte thermodynamisch-kinetische Zugang wird es sowohl ermöglichen, den Einfluss von Verspannungen auf die Bildung von Ausscheidungen zu verstehen, als auch den umgekehrten Effekt einer Auswirkung gebildeter Ausscheidungen auf die mechanischen Spannungsfelder. Highlights der zweiten Phase sind die Bildung von Core-Shell-Nanoteilchen und der Einfluss von Korngrenzen. Die Entwicklung theoretischer Methoden und eines tiefgehenden Verständnisses erfordert präzise Vergleiche und Benchmarks gegenüber sorgfältig gewählten, projektspezifischen Messungen. So werden Verspannungsexperimente mit Kompression und Scherung neue Einblicke über die Verteilung von Ausscheidungen liefern. Eine genaue Analyse der UFG-Mikrostruktur und der lokalen Chemie wird mittels Transmissionselektronenmikroskopie und darauf aufbauenden Methoden erfolgen. Parallel dazu soll mittels radio-tracer Diffusionsexperimenten unter mechanischer Last bestimmt werden, wie mechanische Verspannungsfelder sich auf die chemische Zusammensetzung und Diffusion auswirken. Durch den kombinierten experimentell-theoretischen Zugang ergeben sich Synergieeffekte, die die systematische Erforschung der mechanisch-chemischen Kopplung in einem technologisch wichtigen Materialsystem ermöglichen und unser grundlegendes Verständnis des komplexen Wechselspiels zwischen mechanischen Verspannungen, Chemie, Struktur, Grenzflächenkinetik, Ausscheidungsbildung und ihrer Rückkopplung auf die mechanischen Eigenschaften deutlich erweitern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1713: Stark gekoppelte thermo-chemische und thermo-mechanische Zustände in Angewandten Materialien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Jörg Neugebauer; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde