Mechanismen der Erhöhung von Festigkeit und Plastizität in Mg Legierungen mit geordneten Clustern

• Antragsteller: Dr.-Ing. Henry Ovri; Dr.-Ing. Zhuocheng Xie
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555365333

Magnesium (Mg)-Legierungen sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und ihrer Recyclingfähigkeit vielversprechend für die Reduzierung von CO2-Emissionen. Allerdings ist die Anwendbarkeit herkömmlicher Mg-Legierungen im Vergleich zu anderen Konstruktionslegierungen aufgrund ihrer relativ geringen Duktilität und niedrigen Streckgrenze stark eingeschränkt. Verschiedene experimentelle und rechnerische Untersuchungen bestätigen, dass niedrige Konzentrationen von Seltenen Erden (RE) in einer Mg-Legierung diese Eigenschaften deutlich verbessern. Es liegt auf der Hand, dass ein Verständnis der Mikromechanismen, die diesen Verbesserungen zugrunde liegen, für die Optimierung bestehender und die Entwicklung neuer Legierungen auf Mg-RE-Basis entscheidend ist. Unsere vorläufige experimentelle Untersuchung, die an Mg-Gd-Einkristallen durchgeführt wurde, zeigt jedoch, dass bestehende mechanistische Modelle die beobachteten Verbesserungen nicht vollständig erklären können. Außerdem hat unsere Untersuchung gezeigt, dass die RE-reichen kurzreichweitig geordneten (SRO) Cluster in diesen Legierungssystemen zu einer Verstärkung der Basalorientierung führen. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verringerung des Verhältnisses zwischen pyramidalem und basalem CRSS, was die pyramidalen Gleitaktivitäten erhöht und folglich die Duktilität verbessert. Während unsere ersten Hypothesen fundiert erscheinen, müssen noch einige wichtige Wissenslücken geschlossen werden. Hierfür ist das vorgeschlagene Forschungsprogramm auf drei übergreifende Ziele ausgerichtet: a) Verbesserung (oder Verfeinerung) der experimentellen Grundlage des mechanistischen Modells: Wir werden die Art und Morphologie der SRO-Cluster orthogonal zur c-Achse des Mg-Kristalls genau bestimmen und ihren Einfluss auf die Festigkeit und Duktilität in den Basal-, Pyramiden- und Zwillingsorientierungen durch eine Kombination aus In-situ-REM-Zugversuchen, Ex-situ-Mikrokompression und hochgenauer mikrostruktureller Charakterisierung quantifizieren. b) Validierung und Verfeinerung des mechanistischen Modells durch Modellierung im atomaren Maßstab: Wir werden unser mechanistisches Modell verfeinern und validieren, indem wir die neuen experimentellen Ergebnisse mit Erkenntnissen aus einem kombinierten Ansatz von DFT-Berechnungen und atomistischen Simulationen verbinden. c) Schaffung der Grundlagen für die Entwicklung industriell relevanter Mg-Legierungen: Das verfeinerte Modell wird die Grundlage für die Entwicklung eines Kontinuum-modells bilden, welches die Texturentwicklung und Verformbarkeit von Mg-Legierungen unter Berücksichtigung der Auswirkungen von SRO genau beschreiben kann. Mit diesem Ansatz wollen wir die Grundlage für hochleistungsfähige Mg-Legierungen der nächsten Generation schaffen, die den hohen Anforderungen an Festigkeit und Duktilität in kritischen Anwendungen gerecht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Stéphane Berbenni; Julien Guénolé, Ph.D.