MCL – MATERIALS CENTER LEOBEN FORSCHUNG GMBH
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FORSCHUNGSPROGRAMM
COMET K
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MPPE
Highlights
Der Plastizität von Metallen
auf der Spur
Mit neuartiger Simulationsmethode die Struktur von Versetzungen verstehen
Ein wesentliches Merkmal von Metallen ist ihre Plastizität. Metalle weisen daher prin-
zipiell ein hohes Potenzial für plastische Verformbarkeit auf, diese Eigenschaft kann
jedoch stark variieren – von sehr guter Duktilität bis hin zu sehr geringer, ähnlich wie
bei Glas. Besonders viele Legierungen mit kubisch raumzentrierter Kristallstruktur,
z.B. viele Stähle, Wolfram und Molybdän, werden unter ungünstigen Bedingungen oft
spröde und können verformungsarm brechen.
Wie sich Werkstoffe verformen und brechen, ist von ihrem atomaren Aufbau abhän-
gig. Einerseits bestimmt dieser den Zusammenhalt von Atomen im Kristall und zwi-
schen den Kristallen eines Festkörpers, andererseits wird dadurch die Bewegung von
Versetzungen entscheidend mitbestimmt, die auch als sogenannte Träger der Ver-
formung gelten. Versetzungen beispielsweise sind Gitterfehler, die sich bei Metallen
beim Anlegen ausreichend hoher Spannungen durch den Kristall bewegen. Durch
gleichzeitige Bewegung von Millionen von Versetzungen kommt es zur makroskopi-
schen Verformung der Kristalle.
Die Versetzungsstruktur entscheidet über das Gleit- und Verformungsverhalten
von Metallen
Über das Gleitverhalten von Versetzungen entscheidet deren geometrische Struk-
tur. Atomistische Berechnungen sind heute die einzige Möglichkeit, die Struktur von
Versetzungen vorherzusagen bzw. im Detail zu beschreiben. Mit Hilfe von sogenann-
ten Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT) ist es möglich, grundlegende Auf-
schlüsse zum Aufbau von Versetzungen zu gewinnen.
Für Materialforscher ist es von besonderem Interesse, zu verstehen, wie Legierungs-
elemente die Bewegung von Versetzungen beeinflussen. Hier spielen mehrere Fak-
toren eine Rolle: Die kritische Spannung, die notwendig ist, um Versetzungen zu be-
wegen, die Frage, auf welchen Ebenen im Kristall sich die Versetzungen bewegen
können und wie leicht sie von einer Gleitebene auf eine andere wechseln können. Erst
eine detaillierte Kenntnis der atomaren Struktur einer Versetzung erlaubt es, direkt
in den Versetzungsaufbau einzugreifen und wissensbasiert Werkstoffe mit höchster
Verformbakeit und Zähigkeit und damit Bruchsicherheit zu entwickeln.
Anhand von Wolfram-Rhenium Legierungen konnte gezeigt werden, dass das Zu-
legieren von Re zu W den Aufbau des Versetzungskerns verändert und das Verfor-
mungsverhalten verändert.
„Atomistic Modelling“ – der Schlüssel zum Legierungsdesign auf atomarer Ebene
Einen besonderen Schwerpunkt stellen am MCL Aktivitäten zur „atomistischen“ Be-
schreibung von Legierungen dar. Dies inkludiert sowohl eine effiziente Modellierung
von Legierungen als auch der Gitterfehler wie Leerstellen, Versetzungen und Grenz-
flächen und ihrer Auswirkungen. Der Fokus liegt dabei auf der Weiterentwicklung der
Spin-wave Methode zur Beschreibung paramagnetischer Zustände.
Ergänzt und erweitert wird der Forschungsbereich „Atomistic Modelling“ durch Akti-
vitäten im Bereich der funktionalen Eigenschaften von Werkstoffen.
