Entschlüsselung des Kornwachstums: Bewegung von Disconnections und die Rolle von Legierungselementen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jules Dake; Professor Dr. Marco Salvalaglio
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570666382

Die Migration von Korngrenzen (KG) ist ein zentraler Prozess für die Mikrostrukturentwicklung kristalliner Werkstoffe. Wird sie thermisch aktiviert, resultiert daraus Kornwachstum – ein Phänomen, das aufgrund des Einflusses der Korngröße auf Materialeigenschaften seit über hundert Jahren intensiv erforscht wird. Klassische Modelle gehen davon aus, dass gekrümmte KGs stets zum Zentrum ihrer Krümmung wandern und Fremdatome – sei es als Legierungselemente oder als Verunreinigungen – die Migration grundsätzlich verlangsamen. Diese Annahmen werden jedoch durch neuere Simulationen und experimentelle Befunde zunehmend infrage gestellt. Obwohl KGs die Grenzflächen zwischen benachbarten Körnern unterschiedlicher Kristallorientierung sind, werden sie meist als ebene Kontinuumsflächen behandelt, was ihre atomare Struktur vernachlässigt. Wird diese berücksichtigt, zeigt sich, dass gekrümmte KGs notwendigerweise Stufen oder Absätze enthalten, die eindimensionale Defekte – sogenannte Disconnections – bilden. Das Konzept der Disconnections wird seit Jahrzehnten zur Erklärung der Kopplung von Scherung und Migration genutzt, seine Anwendung auf allgemeine KG-Migration ist jedoch neu. Sollte sich bestätigen, dass die thermisch aktivierte Migration maßgeblich durch die Bewegung von Disconnections gesteuert wird, könnte dies eine Vielzahl bislang rätselhafter Beobachtungen erklären – etwa die starke Streuung von gemessenen KG-Mobilitäten, Kornwachstumsstagnation oder gar Beschleunigung durch Fremdatome, wonach bestimmte Legierungselemente die KG-Migration überraschenderweise fördern. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung physikalisch fundierter Modelle für KG-Migration unter realistischen Bedingungen – insbesondere unter Berücksichtigung des Netzwerks miteinander verbundener KG und der allgegenwärtigen Präsenz von Fremdatomen an und nahe der KGs. Bisherige Studien zur Disconnection-Bewegung konzentrierten sich auf Bikristalle mit ebenen Grenzflächen oder ausgewählte KGs in dünnen, nanokristallinen Proben. In herkömmlichen polykristallinen Werkstoffen hingegen vermuten wir, dass die Bewegung von Disconnections durch die geometrische und chemische Konfiguration der KG über mehrere mikrostrukturelle Längenskalen hinweg eingeschränkt ist. Solche Einschränkungen können lokale Spannungen erzeugen, die die KG-Geschwindigkeiten erheblich beeinflussen. Um einzelne Effekte zu isolieren, werden wir diese Einschränkungen gezielt aufheben – etwa durch Laserablation oder Flüssigphasen – und die Wechselwirkung der Disconnection- mit Fremdatomen durch eine Kombination aus Experimenten und Simulationen auf atomarer bis mesoskopischer Skala untersuchen. Abschließend werden wir Algorithmen zur realitätsnahen Simulation des Kornwachstums entwickeln, die diese Effekte explizit in die Berechnung der KG-Geschwindigkeit integrieren und als „digitaler Zwilling“ der Mikrostrukturentwicklung die Lücke zwischen Theorie und Experiment schließen sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Mitverantwortlich: Professor Carl Emil Krill III, Ph.D.
• Kooperationspartner: Oliver Renk, Ph.D.; Professor Dr. Lorenz Romaner; Dr. Daniel Scheiber