Atomistische Modellierung hybrider Verbundwerkstoffe mit einer metallischen Glasmatrix und maßgeschneidertem Design

• Antragsteller: Daniel Sopu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318962047

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Plastizität massiver metallischer Gläser ist die Synthese von zweiphasigen Glasmatrixkompositen. Dabei sind die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in diesen Verbundwerkstoffen von grundlegender Bedeutung. Sind die Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Struktur, Legierungsstabilität und möglichen Phasenumwandlungen bekannt, lassen sich Legierungen optimieren. In der Literatur findet sich eine Reihe von experimentellen Arbeiten z.B. bezüglich der Plastizität intelligenter Verbundwerkstoffe mit kristalliner Verstärkungsphase. Allerdings existiert bislang kein umfassendes theoretisches Modell, das die entsprechenden Mechanismen auf atomarer Ebene für Glasmatrixkomposite beschreibt.Im vorliegenden Antrag soll mittels molekulardynamischen (MD) Simulationen ein Verständnis der Eigenschaften auf Nanoebene in CuZr-basierten Glasmatrixkompositen aufgebaut werden. Das Ziel des Projektes ist es, durch eine geeignete Gestaltung der Gefüge, die Ausbildung von Scherbändern im frühen Stadium der Verformung zu verhindern, also das Auftreten lokalisierter Dehnung zu verzögern. Als neuartiger Ansatz zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Komposite wird quasi ein Muster aus Scherbändern in der Glasmatrix erzeugt. Aufgrund von Wechselwirkungen mit nanoskaligen Ausscheidungen können sie nicht reifen bzw. propagieren. Dahingehend erfolgt die quantitative Beschreibung der Duktilität anhand der berechneten Werte für die kritische Scherbandlänge und das kritische Schervolumen. Folglich tragen diese Werte auch dazu bei, das Partikelnetzwerk zu konzipieren und die optimale Heterostruktur bezüglich Duktilität und Festigkeit zu konstruieren.Die zweite Zielstellung des Projektes ist die Untersuchung der spannungsinduzierten martensitischen Umwandlung und ihr Einfluss auf die Verformungsmechanismen der Komposite (B2 CuZr-Nanopartikel in Glasmatrix). Es wird eine Modellierungsstrategie entwickelt, die es erlaubt, die konkurrierenden Verformungsmechanismen in den martensitischen Nanopartikeln und der Glasmatrix zu erfassen und zu verstehen. Die Scherbandbildung, induziert durch die martensitische Umwandlung in den kristallinen Nanopartikeln, und die Überlagerung von Scherbändern und Formgedächtniskristallen werden untersucht. Des Weiteren, wird eine geeignete Methode entwickelt, um die Dehnungslokalisierung zu kontrollieren. Dazu werden Vorgaben zu Parametern wie Volumenanteil, Verteilung, Größe, Anzahl und Abstand der Nanopartikel gemacht. Dies ermöglicht es, Scherbänder mit geringerem Versatz und einer suboptimalen Orientierung einzustellen, um die gewünschte homogenere Verformung herbeizuführen. Letztendlich wird die umwandlungsinduzierte Plastizität in den Kompositen auf Grundlage sich wiederholender Verformungsprozesse untersucht. Die reversible martensitische Umwandlung bildet die Triebkraft für eine strukturelle Verjüngung in metallischen Gläsern, welche im Sinne von Kompositen die Duktilität und Festigkeit erhöhen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr.-Ing. Swantje Bargmann; Privatdozent Dr. Celal Soyarslan; Dr. Alexander Stukowski