Magnetismus in Eisenlegierungen: Thermodynamik, Kinetik and Defekte

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski; Professor Dr. Ralf Drautz; Dr. Tilmann Hickel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316673557

Im Fokus des Projekts stehen die drei Legierungsysteme, Fe-Cr, Fe-Mn und Fe-Co, stellvertretend für Eisen-basierte Legierungen für Hochtemperaturanwendungen, hochfeste Materialen und magnetische Materialien. Der Magnetismus hat einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der drei Legierungssysteme und muss bei der Entwicklung neuer Materialien berücksichtigt werden. Eine Designstrategie muss dabei (i) genaue Methoden zur Bestimmung atomarer Eigenschaften mit (ii) effizienter Vergröberung der Beschreibungsebenen verknüpfen, um Zugang zu den wesentlichen physikalischen Eigenschaften des Materials zu erhalten und so ein Screening von Materialzusammensetzungen zu ermöglichen. Für den ersten Punkt hat sich Dichtefunktionaltheorie in den vergangenen Jahren etabliert. Dabei besteht in der Modellierung des Magnetismus, der zugehörigen Ordnungen, Anregungen und Übergänge weiterhin eine große Herausforderung. Eine umfassende Modellierung des Magnetismus wird aber benötigt, um materialspezifische Fragestellungen angehen zu können: die spezifische Toleranz von Fe-Cr gegen Phasenseparation unter Bestrahlung, die Korngrenzversprödung von ferritischem Fe-Mn und die hochfesten Eigenschaften von austenitischem Fe-Mn, sowie die Ordnung und relative Stabilität der alpha und gamma Phasen in Fe-Co.Im vorliegenden Antrag soll der Einfluss des Magnetismus auf die Eigenschaften der Legierungen mit zwei Zugängen beschrieben werden. Zunächst wird auf der Basis neuer Arbeiten zur Behandlung des Magnetismus in Eisen eine genaue Beschreibung von magnetischen Vielkomponentensystemen mit Punktdefekten und ausgedehnten Defekten erreicht. Weiterhin werden wir Methoden entwickeln, welche einen Brückenschlag zwischen den hochgenauen DFT Rechnungen und großskaligen atomistischen Simulationen für thermodynamische und kinetische Materialeigenschaften erreichen, und welche - und das ist entscheidend - die magnetischen Beiträge zu Defekteigenschaften, Diffusion und Mikrostrukturentwicklung umfassen. Dafür werden gitterbasierte effektive Wechselwirkungsmodelle (EIMs) und Tight-Binding (TB) Modelle auf der Basis von DFT entwickelt, welche die magnetischen Beiträge effizient abbilden. Dies wird es uns ermöglichen, eine konsistente Beschreibung des Magnetismus für verschiedene Eigenschaften von Fe-basierten Legierungen bei endlichen Temperaturen zu erreichen. Dies wird uns weiterhin ermöglichen die zentralen Parameter, welche Entmischung in Fe-Cr, Ordnung in Fe-Co und Dekohäsion in Fe-Mn Korngrenzen bestimmen, zu optimieren. Wir werden weiterhin dezidierte und spezifische Experimente in der Volumenphase sowie an inneren Grenzflächen durchführen, um die theoretischen Vorhersagen zu überprüfen. Die Ergebnisse der Simulationen werden zur Verbesserung von thermodynamischen und Diffusions-Datenbanken beitragen (wie beispielsweise DICTRA), welche heute in der industriellen Forschung Standard sind, aber Schwierigkeiten bei der Simulation von magnetischen Materialien haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Jörg Neugebauer; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Hakim Amara; Dr. Chu Chun Fu; Privatdozentin Dr. Veronique Pierron-Bohnes