Kopplung zwischen irreversiblen plastischen Umordnungsvorgängen und Heterogenität der lokalen Struktur während der Verformung metallischer Gläser

• Antragsteller: Professor Dr. Fathollah Varnik; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde
• 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 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325408982

Eines der wesentlichen Schwierigkeiten in der Anwendung metallischer Gläser als strukturelle Materialien liegt in deren Neigung zur Scherlokalisierung und dem daraus resultierenden katastrophalen Versagen unter Last. Trotz des großen wissenschaftlichen und praktischen Interesse sind die Anfangsphasen der Scherlokalisierung nicht gut verstanden. Dieses Projekt widmet sich daher einer Untersuchung der frühen Stadien dieses Phänomens in metallischen Gläsern. Dabei spielen nanoskalige, amorphen Festkörpern innewohnende, strukturelle Heterogenität und Fluktuationen der lokalen Spannung eine wichtige Rolle. Diese Struktur-Spannungseffekte beeinflussen auch den Übergang von einer homogenen zu einer lokalisierten plastischen Verformung und somit die Entstehung von Scherbändern. Es interessieren dabei die Fragen (i) Wie hängen irreversible Umordnungsvorgänge von lokalen Strukturheterogenitäten und lokalen Spannungen ab? (ii) Unter welchen Voraussetzungen führen diese Effekte zu Scherbändern, welche das gesamte System durchqueren? Zur adäquaten und umfassenden Untersuchung dieser Fragestellungen vereint das vorliegende Forschungsvorhaben die Expertise zur experimentellen Untersuchung der Struktur und Deformation metallischer Gläser mit der Expertise zu Computersimulationen von Modellgläsern. Auf der einen Seite liefern Molekulardynamiksimulationen detaillierte Information über kollektive Teilchen-Umordnungen und erlauben somit die Identifizierung elementarer plastischer Vorgänge. Es werden ferner Spannungen auf der hierzu relevanten lokalen Skala ermittelt. Diese Daten werden verwendet, um zeitliche sowie räumliche Korrelationen zwischen lokaler Spannung und plastischer Verformung zu ermitteln. In ähnlicher Weise werden auch Korrelationsfunktionen zwischen elementaren plastischen Vorgängen und Strukturfluktuationen bestimmt. Auf der anderen Seite liefern Experimente unabhängige und gleichzeitig ergänzende skalenübergreifende statische und dynamische Eigenschaften metallischer Gläser unter und nach Verformung. Die hierbei zugänglichen Skalen erstrecken sich von der atomistischen Skala, auf der neu entwickelte TEM Methoden wie zum Beispiel Elektronenkorrelationsmikroskopie strukturelle Heterogenitäten analysieren, bis hin zu Meso- und Makroskalen, auf der über die gesamte Probe gemittelte Information über den der Scherlokalisation vorangehenden atomaren Transport ermittelt werden. Die oben erwähnten experimentellen Messungen und numerischen Computersimulationen erlauben es, die in den Frühstadien der Deformation und Scherlokalisierung involvierten Aspekte bezüglich der Rolle der lokalen Struktur- und Spannungsfluktuationen aus unterschiedlichen und einander ergänzenden Winkeln zu beleuchten. Das übergeordnete Ziel des vorliegenden Antrags liegt in der konsistenten Beschreibung der Ergebnisse innerhalb eines physikalischen Models für den Übergang zwischen elastischer und plastischer Deformation metallischer Gläser.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Sergiy Divinski