Identifikation der intrinsischen Verformungsmechanismen einphasiger konfigurationsstabilisierter kubisch-raumzentrierter Legierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Patric Alfons Gruber; Professorin Dr. Ruth Schwaiger, seit 1/2019
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388672790

Kubisch-raumzentrierte (KRZ) konfigurationsstabilisierte Legierungen (high-entropy alloys, HEAs) aus Refraktärmetallen werden als neuartige metallische Materialien für Hochtemperaturanwendungen untersucht, da sie z.B. überragende Festigkeit, gute thermische Stabilität und gute Oxidationseigenschaften auch bei hohen Temperaturen besitzen. Bis jetzt lag der Forschungsschwerpunkt bei den Refraktär-HEAs auf der Materialentwicklung mit anschließender Mikrostrukturcharakterisierung. Die intrinsischen Verformungsmechanismen von einphasigen KRZ-HEAs sind z.Zt. ein offener diskutierter Forschungsgegenstand. Beispielsweise unterschätzt ein Modell mit gemittelter Lösungsverfestigung die für die Versetzungsbewegung in KRZ HEAs notwendigen kritischen Spannungen. Derselbe Ansatz in kubisch-flächenzentrierten HEAs sagt allerdings mit Experimenten vergleichbare Fließspannungen voraus. Im Allgemeinen besteht ein Zusammenhang zwischen Verformungsverhalten in KRZ-HEAs mit den intrinsischen Materialcharakteristika, beispielsweise der chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur und der Defektwechselwirkung der Mikrostrukturelemente, zusätzlich zu den extrinsischen Verformungsparametern, wie z.B. der Verformungsrate und der Temperatur. Das beantragte Projekt untersucht die intrinsischen Verformungsmechanismen, die spezifisch für einphasige KRZ HEAs sind, und zielt darauf ab, die chemische/mikrostrukturelle Stabilität bei der Verformung zu verstehen mit dem Anspruch, die Strukturintegrität bei Raumtemperatur und im Übergang zum Hochtemperaturregime bei 700K vorherzusagen. Die Verformungskinetik und die Versetzungsgleitsysteme werden bestimmt und mit den charakteristischen Verformungssignaturen in der makroskopisch duktilen Legierung Ta-Nb-Hf-Zr-Ti und in der makroskopisch scheinbar spröden Legierung Nb-Mo-Cr-Ti-Al korreliert. Dies soll durch einen synergistischen Ansatz, der atomistische Simulationsmethoden mit high-end temperaturabhängigen nano- und mikromechanischen Experimenten kombiniert, erreicht werden. Die mechanischen Tests werden durch umfassende ortsaufgelöste mikrostrukturelle und chemische Analysen unterstützt.Elektronenstruktursimulationen modellieren explizit ungeordnete HEAs durch die Verwendung von "special quasi-random structures" und liefern chemisch akkurate Vorhersagen der intrinsischen Fluktuationen von Materialparametern, wie z.B. der idealen Scherfestigkeit und der generalisierten Stapelfehlerenergie. Die möglichen Gleitsysteme und die assoziierte Anisotropie der Schrauben- und Stufenversetzungen wird durch eine simulationsinformierte Versetzungstheorie berechnet. Eine kinetische Monte-Carlo Methode wird entwickelt, um die elementspezifischen Segregationstendenzen bei der Verformung aufzuklären. Der kombinierte Simulations-Experimente-Ansatz erlaubt die Formulierung von einem verifizierbaren phänomenologischen Modell für die Verformungsprozesse in einphasigen KRZ HEAs bei Raumtemperatur.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2006: Legierungen mit komplexer Zusammensetzung - Hochentropielegierungen (CCA - HEA)
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Christian Brandl, bis 1/2019