CD-Labor für Digitale Materialdesign-Richtlinien zur Vermeidung von Legierungsversprödung

Laufzeit: 01.01.2025 - 31.12.2031

Thematischer Cluster: Materialien und Werkstoffe

Dieses CD-Labor befasst sich mit der Versprödung von Konstruktions- und Funktionswerkstoffen und Möglichkeiten für deren Vorhersage und Vermeidung.

Je höher die Zähigkeit eines Materials, desto resistenter ist es gegen Brüche und die Ausbreitung von Rissen. Gleichzeitig gilt für Materialien auch, je höher seine Duktilität, umso fähiger ist es, mittels plastischer Verformung sein Versagen zu verhindern: Beide dieser Eigenschaften kontrollieren also das Risiko des Materialversagens sowohl während der Produktion als auch im Betrieb von Konstruktions- und Funktionswerkstoffen und sind daher in verschiedensten Anwendungsbereichen von größter Wichtigkeit.

Die Herausforderung: Viele der bekannten Versprödungsphänomene, die Duktilität und Zähigkeit von metallischen Legierungen, wie Stählen oder Ni-basierten Legierungen verringern (und deren Nutzung schlimmstenfalls unmöglich machen), wirken auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen. Dadurch ist das Verständnis über sie meist nur qualitativ und es kann nicht auf einen allgemeingültigen deskriptiven Multiskalenansatz zurückgegriffen werde, der alle diese Phänomene umfasst und die Beschreibung ihrer Relationen untereinander erlauben würde.

Dies erschwert die Vorhersage dieser Materialeigenschaften – insbesondere, wenn es um die Entwicklung neuer Materialien geht und erst gegen Ende des Entwicklungszyklus Aussagen über deren Duktilität und Zähigkeit getroffen werden können. Rasche und zuverlässige Vorhersagen von Zähigkeit und Duktilität neuer Materialien sind aber unerlässlich, um Technologien für die Energiewende zu ermöglichen. Gerade im Kontext von Klimakrise und globalen wirtschaftlichen Herausforderungen, die rasche Verbesserungen bestehender und Entwicklung neuartiger, „grüner“ Werkstoffe notwendig machen, spielen solche Vorhersagen eine zentrale Rolle.

Das CD-Labor hat sich daher zum Ziel gesetzt, mittels eines computergestützten Ansatzes, der durch hochauflösende experimentelle Methoden validiert und ergänzt wird, ein umfassendes Verständnis der fundamentalen Grundlagen dieser Versprödungsphänomene aufzubauen, um Multiskalen-Berechnungswerkezeuge zu deren Vorhersage und Vermeidung zu erarbeiten. Dies soll den gezielten Einsatz von Strategien zur Steigerung der gewünschten Eigenschaften und somit zuverlässigere Materialien ermöglichen.

Diese Forschungsergebnisse werden die Verbesserung bestehender Materialien und ihre Anpassung an die neuen Anforderungen hinsichtlich ihrer Schadenstoleranz ermöglichen. Weiters wird dieses grundlegende Wissen im Zusammenspiel mit den erarbeiteten Berechnungswerkzeugen zu einer massiven Beschleunigung des Entwicklungszyklus neuer Materialien durch dessen Digitalisierung führen. Gerade im Zusammenhang mit einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft wird die beschleunigte Entwicklung „grüner“ Konstruktions- und Funktionswerkstoffe einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten.