Entwicklung, Validierung und Anwendung eines magnetischen Bond-Order Potentials für das Eisen-Kohlenstoff System

• Antragsteller: Dr. Matous Mrovec
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405621081

Das das Eisen-Kohlenstoff System die Grundlage von Stahl bildet, gehört zu den technologisch wichtigsten Binärsystemen. In den letzten Jahren und Jahrzehnten wurden große Fortschritte hinsichtlich des theoretischen Verständnisses der physikalischen, thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften dieses Systems erzielt. Die explizite atomistische Modellierung von atomaren Prozessen in modernen Stählen mit komplexer Zusammensetzung und komplexen Mikrostrukturen stellt dabei aber nach wie vor eine große Herausforderung dar. Dies liegt am subtilen Zusammenwirken von chemischen und magnetischen Wechselwirkungen in diesen Werkstoffen.Das Kernziel unseres Antrags besteht in der Entwicklung eines magnetischen Bond-Order Potentials (BOPs), welches atomare Prozesse in Fe-C quantitativ beschreiben kann. Das BOP soll den gesamten Zusammensetzungsbereich abdecken, von der verdünnten Lösung von Kohlenstoff in der Eisenmatrix bis zu höheren Kohlenstoffkonzentrationen, bei welchen verschiedene Karbide gebildet werden. Da die BOPs durch systematische mathematische Vereinfachungen aus quantenmechanischen Beschreibungen abgeleitet werden, beeinhalten sie implizit grundlegende Eigenschaften der elektronischen Struktur, wie beispielsweise Magnetismus. Gleichzeitig sind sie durch ihre Realraum-Formulierung in der Form von Vielkörperpotentialen numerisch effizient. Diese Kombination aus physikalischer Genauigkeit und numerischer Effizienz erlaubt den Einsatz der BOPs für komplexe Konfigurationen und Bedingungen, wie beispielsweise Eigenschaften von ausgedehnten Defekten oder die Bewegung von Phasengrenzen, welche die Mechanismen der strukturellen und magnetischen Phasenübergänge in Fe-C ebenso beherrschen wie das makroskopische mechanische Verhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ralf Drautz