Charakterisierung, Modellierung und Homogenisierung von Versetzungsnetzwerken mithilfe interpretierbarer Datenanalysemethoden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klemens Böhm; Professorin Dr.-Ing. Katrin Schulz
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Datenmanagement, datenintensive Systeme, Informatik-Methoden in der Wirtschaftsinformatik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452183896

Das Ziel dieses Projekts ist die Identifizierung und Beschreibung physikalischer Zusammenhänge in der zeitlichen Evolution von Versetzungsnetzwerken in kristallinen Materialien mit geeigneten, hierfür zu entwickelnden Methoden der Datenanalyse. Als Grundlage werden Daten aus diskreten Versetzungsdynamik-Simulationen (Discrete Dislocation Dynamics (DDD)) verwendet. Bisher ist weitgehend unklar, welche Größen die Versetzungsnetzwerke charakterisieren, und wie eine entsprechende physikalische Beschreibung aussehen könnte. DDD Simulationen haben hier zwei entscheidende Vorteile. (i) DDD Simulationen erlauben eine Beobachtung der Netzwerkstrukturen in drei Dimensionen und ermöglichen damit das Verständnis der mikrostrukturellen Veränderung im Material. DDD Simulationen erzeugen Daten, die basierend auf grundlegenden physikalischen Zusammenhängen Phänomene kollektiver Versetzungsbewegung abbilden, die sich auch in realen Materialien beobachten lassen. Allerdings ist weitgehend unklar, welchen kausalen Zusammenhängen diese Phänomene unterliegen, und welche Auswirkungen Änderungen an Umgebungsparametern und der Materialstruktur haben. Dies erschwert die Bildung von Hypothesen für die Weiterentwicklung und Nutzbarmachung der Simulationen für makroskopische Betrachtungen und reale Systeme. (ii) Eine Charakterisierung von DDD Daten ermöglicht die Skalierung von Versetzungsanalysen auf größere räumliche Skalen.Bisherige Ansätze zur Homogenisierung von Versetzungsnetzwerken sind auf vereinfachte Systeme beschränkt oder zu ungenau, um die in DDD Simulationen beobachteten Mechanismen physikalisch abzubilden. Sie eignen sich daher nicht dafür, die aufwendigen DDD Simulationen zu ersetzen. Eines unserer Ziele ist es daher, die Evolution homogenisierter Zustände mit Hilfe von Datenanalyseverfahren aus den DDD Daten zu lernen und in einer homogenisierten Beschreibung festzuhalten. Wir gehen davon aus, dass sich durch das Verständnis der physikalischen Zusammenhänge und durch die maschinell gelernten Modelle die Evolution von homogenisierten Versetzungsnetzwerken mit wesentlich höherer Genauigkeit und physikalischer Fundiertheit beschreiben lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Daniel Weygand