Simulationen der Wechselwirkung zwischen Korngrenzen und Ausscheidungen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Volker Mohles
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320928359

Das Ziel des Projekts ist, die Wechselwirkung zwischen Korngrenzen und Ausscheidungen sekundarer chemischer Phasen im Detail zu verstehen und die Pinning-Kraft ("Zener-Kraft) analytisch zu beschreiben. Diese Kraft ist äußerst wichtig bei der Produktion von Materialien, weil sie die Entwicklung der Mikrostruktur in Prozessschritten, die Rekristallisation und Kornwachstum beinhalten, und damit die Materialeigenschaften maßgeblich beeinflusst. Trotz dieser hohen Bedeutung ist das heutige physikalische Verständnis der Pinning-Kraft ziemlich unvollständig. Dies ist beispielsweise daran zu erkennen, dass die gegenwärtigen Modelle kaum Details über die spezifischen Ausscheidungen oder Korngrenzen berücksichtigen, wie beispielsweise die Oberflächenenergie der Ausscheidungen, oder die Tripellinie, entlang der die Korngrenze eine Ausscheidung berührt. Des Weiteren berücksichtigen aktuelle Modelle nicht, dass die Anzahl gleichzeitig wechselwirkender Ausscheidungen für eine gekrümmte Korngrenze höher ist als für eine flache. Es ist bekannt, dass diese Tendenz das wesentliche Element für den Erfolg des Friedel-Modells der Pinning-Kraft für Versetzungen ist. Im Vergleich mit den heute gebräuchlichen, hoch detaillierten Härtungsmodellen zum Versetzungs-Pinning wurde das Korngrenzen-Pinning also bislang eher rudimentär behandelt. Entsprechend sind heutige Zener-Kraft-Modelle trotz ihrer hohen Bedeutung vermutlich ziemlich ungenau.Im vorgestellten Projekt sollen umfassende neue Modelle für die Zener-Kraft entwickelt werden, die eine Vielfalt möglicherweise wichtiger Einflüsse berücksichtigen. Dabei wird ein Multiskalenansatz verfolgt, bei dem atomistische Details mit höherskaligen Modellen kombiniert werden, um homogenisierte Ergebnisse abzuleiten. Zunächst wird die Wechselwirkung einer Korngrenze mit einer Ausscheidung auf atomistischer Basis untersucht. Dabei wird mittels Molekulardynamik das Ablösen verschiedener Korngrenzen von unterschiedlichen, konkreten Ausscheidungen simuliert. Gleichzeitig wird genau der gleiche Prozess mit einem Vertex-Modell simuliert, bei dem die Korngrenze und die Ausscheidungsoberfläche durch abstrakte, facettierte Ebenen beschreiben werden. Durch den direkten Vergleich dieser Modelle und eine genaue Anpassung des Vertex-Modells an die atomistische Simulation können alle Einflüsse erkannt, quantifiziert und in ihrer Wichtigkeit beurteilt werden. Anschließend wird das Vertex-Modell dazu genutzt, die Wechselwirkung einer Korngrenze mit realistischen Anordnungen vieler Ausscheidungen zu simulieren. Hieraus wird dann ein genaues Modell für die Zener-Kraft abgeleitet, sowohl für die Rekristallisation als auch für das Kornwachstum. Diese Modelle können dann später dazu genutzt werden, Herstellungsprozesse und Materialeigenschaften zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen