Mikrostrukturelle Entwicklung und Hetero-Verformungs-Induzierte Verfestigungsmechanismen in durch Equal-Channel Angular Pressing und Kugelstrahlen oberflächen- und volumenmodifizierten, hierarchisch strukturierten Al-Mg-Sc-Zr-(A5xxx)-Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Franz-Xaver Wagner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575728112

Dieses Projekt zielt darauf ab, die grundlegenden Mechanismen der hierarchischen Mikrostrukturentwicklung und der hetero-verformungsinduzierten (HDI) Verfestigung in einer thermisch stabilen Al-Mg-Sc-Zr-Legierung zu untersuchen, die einem Equal Channel Angular Pressing (ECAP)- und Kugelstrahl-Prozess unterzogen wird. Diese Legierung wurde aufgrund der Mischkristallverfestigung und kohärenten Al₃(Sc,Zr)-Dispersoide ausgewählt, die während des ECAPs Kornwachstum unterdrücken können. Diese Eigenschaften ermöglichen die Gestaltung von Gradientenstrukturen mit kontrollierter mikrostruktureller und mechanischer Heterogenität. Erstmals werden ECAP und Kugelstrahlen in diesem Legierungssystem systematisch kombiniert, um Gradienten mit Blick auf Korngröße, Versetzungsdichten, Eigenspannungen und plastische Dehnungen zu erzeugen. Die zentrale Hypothese lautet, dass Bulk-Oberflächen-Gradienten die HDI-Mechanismen durch Akkumulation von geometrisch notwendigen Versetzungen, langreichweitige Rückspannungen und eine verbesserte Partitionierung der plastischen Dehnung aktivieren. Das Projekt adressiert eine zentrale Wissenslücke: Wie beeinflussen ultrafeine Körner und oberflächeninduzierte Dehnungsgradienten die Grenzflächenstabilität, die Plastizität und die Rissbildung in heterostrukturierten Al-Legierungen? Konventionelle Verfestigungsmodelle vernachlässigen die Rolle heterogener Grenzflächen, Inkompatibilitäten und gradienteninduzierter Versetzungsstrukturen. Ziel des Vorhabens ist es, diese Variablen durch gezielte Variation von ECAP-Routen, Kugelstrahlintensität und Wärmebehandlung zu entkoppeln. Im Zentrum steht ein korrelativer, multiskaliger Charakterisierungsansatz. Elektronenrückstreu-Beugung mappt Korngrößengradienten, Missorientierungen und die Bildung von Substrukturen. Röntgenbeugung liefert tiefenaufgelöste Eigenspannungsprofile. Nanoindentation quantifiziert Härte- und Elastizitätsmodul-Gradienten. Transmissionselektronenmikroskopie ermöglicht die Analyse von Versetzungsstrukturen, Partikel-Matrix-Grenzflächen und dynamischer Rekristallisation an Oberflächen und im Volumen. Diese Informationen werden korreliert, um die Mechanismen der HDI-Plastizität und ihre räumliche Entwicklung entlang des Gradienten aufzuklären. Das Projekt umfasst fünf Arbeitspakete: (1) ECAP mit variierenden Routen und Pässen; (2) Kugelstrahlen mit kontrollierten Intensitäten und Zeiten; (3) Mikrostruktur- und Eigenspannungsanalyse; (4) mechanische Prüfung und HDI-Quantifizierung; (5) Integration der Ergebnisse in ein mechanistisches Designkonzept. Durch die Kombination gradienteninduzierter Prozesse mit korrelativer Mikroskopie entstehen potentiell übertragbare Strategien zur Gestaltung ultrafeinkörniger, thermisch stabiler Al-Legierungen. Die Erkenntnisse fördern das Verständnis der „strain-gradient"-Plastizitätund unterstützen die Entwicklung leistungsfähiger heterostrukturierter Metalle mit optimierter Festigkeits-Duktilitäts-Synergie und Schadenstoleranz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Cagatay Elibol
• Kooperationspartner: Professor Dr. Egemen Avcu