Untersuchung der Mikromechanismen des elektoplastischen Effekts in Magnesiumlegierungen mittels Elektronenmikroskopie

• Antragsteller: Dr. Gregory Gerstein; Privatdozent Dr.-Ing. Stefan Zaefferer
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319282412

Unter dem Begriff „elektroplastischer Effekt“ (EPE) wird eine Reihe verschiedener, zum Teil sehr kleiner, gleichzeitig auftretender physikalischer Effekte zusammengefasst. Ziel dieses Projektes ist, die Anteile der einzelnen Effekte zu dem insgesamt beobachtbaren Effekt zu bestimmen. Dieses detaillierte Verständnis ist Grundvoraussetzung für eventuelle zukünftige technologische Anwendungen.Der dominierende Beitrag ist die Joule’sche Erwärmung die durch hohe Stromdichten, mit denen die untersuchten Proben beaufschlagt werden, hervorgerufen wird. Der Temperaturanstieg bleibt gering, da dies in kurzen Pulsen erfolgt, allerdings werden Aufheizraten in der Größenordnung von 104 K/s erreicht, die zu signifikanten thermischen Spannungen führen. Dieser Beitrag wird mittels Experimenten mit hohen Dehnraten sowie durch Variation der Belastungspfade untersucht, um die Auswirkungen schnell einsetzender thermischer Spannungen isoliert betrachten zu können.Mittels in-situ Elektronenmikroskopie wird die Entwicklung ausgesuchter Mikrostrukturmerkmale, wie z.B. Zwillingsstrukturen, in Folge wiederholter Strompulse beobachtet.Um zu untersuchen ob direkte Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Versetzungen einen relevanten Beitrag zum Gesamteffekt liefern, werden Versuche durchgeführt, in denen die Stromrichtung relativ zur mechanischen Belastung, und damit der Versetzungsbewegung, variiert wird. Diese Experimente werden es zumindest ermöglichen, eine Obergrenze für die Größe dieser direkten Wechselwirkung zu bestimmen. Erreicht wird dies sowohl durch die Beobachtung der makroskopischen, mechanischen Antwort als Summe aller Versetzungsbewegung im Probenmaterial auf die gekoppelte elektromechanische Belastung als auch die direkte Beobachtung einer, statistisch signifikanten, Anzahl individueller Versetzungsprozesse.All diese Beobachtungen werden mittels hoch-sensitiver Mikrostruktur-Analyse-Werkzeuge und der Betrachtung ausreichend großer Datensätze durchgeführt. Zusätzliche Untersuchungen an Titan erlauben verbesserte direkte Beobachtung von Versetzungen. Ebenso wird dadurch ermöglicht, die Auswirkung von Gittergeometrie und chemischer Zusammensetzung auf den EPE zu untersuchen. Alle diese Untersuchungen werden durch Kristallplastizitätssimulationen und neue, auf maschinellem Lernen basierende, Bildverarbeitungswerkzeuge ergänzt.In Summe werden die geplanten Experimente, unterstützt durch Simulation der Versetzungsdynamik, ermöglichen, die Beiträge homogener und inhomogener (sogenannter „hot-spots“) Erwärmung so wie der verbliebenen nicht-thermischen Effekte zum Elektroplastischen Effekt zu unterscheiden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1959: Manipulation of matter controlled by electric and magnetic fields: Towards novel synthesis and processing routes of inorganic materials
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier