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Predictive Computational Metallurgy

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Neue Modelle helfen bei der Erstellung stärkerer und duktilerer Metalllegierungen

Während das Mischen innovativer Halbleitermaterialien der Schlüssel ist, um das Mooresche Gesetz einzuhalten, haben Metalllegierungen noch keine vergleichbare exponentielle Verbesserung in puncto Leistungsfähigkeit verzeichnet. Neue Rechenmodelle, die Materialien in verschiedenen Maßstäben miteinander verbinden, sind der Schlüssel für die Entwicklung stärkerer und beständigerer Metalllegierungen, die für die Anwendung im Ingenieurwesen überaus wertvoll sind.

Industrielle Technologien
Grundlagenforschung

Computermodelle werden immer häufiger in zahlreichen Branchen eingesetzt, um bei der Bewertung von Produktleistung, Materialsynthese und Auswahlprozessen sowie bei der Fabrikation der Materialien in Komponenten behilflich zu sein. Das Prüfen von Materialeigenschaften ist nicht einfach, da sich die zugrunde liegenden Phänomene auf ein großes Spektrum an Längen- und Zeitskalen erstrecken. Die Kombination von Informationen auf Quanten-, atomistischer, mesoskopischer und makroskopischer Ebene ist entscheidend für die Entwicklung mehrskaliger Modelle, die das Materialverhalten beschreiben und sogar vorhersagen. Metallurgen haben in den vergangenen 60 Jahren eine Vielzahl neuer Legierungen eingeführt. „Die Entwicklung neuer oder besserer Metalllegierungen hängt entscheidend von einem gründlichen Verständnis der fundamentalen physikalischen Phänomene ab, die beeindruckenden Eigenschaften oder, im Gegensatz dazu, Faktoren, die sich negativ auf deren Eigenschaften auswirken, zugrunde liegen. Aufgrund der Komplexität wurden auf dem Gebiet nur schrittweise Verbesserungen für bestehende Legierungen oder zufällige Verbesserungen von experimentell entwickelten Materialien erzielt“, merkt Professor Bill Curtin, Koordinator des EU-finanzierten Projekts PreCoMet, an. Im Rahmen der Projektforschung wurden wichtige physikalische Phänomene, die sich auf die Festigkeit und Duktilität bestimmter Metallklassen auswirken, erfolgreich enthüllt. Der Weg zu duktileren Magnesiumlegierungen In Reinform ist Magnesium kaum dehn- und formbar. Dem Material mangelt es zudem an hinreichender Festigkeit für viele strukturelle Anwendungen. Die PreCoMet-Forscher fokussierten sich auf die Identifizierung der atomistischen Ursprünge dieses ungewöhnlichen Verhaltens. Simulationen von Magnesiumwechselwirkungen im atomaren Maßstab halfen, ein Bild zu erstellen, das Jahrzehnte an Versuchen zu der makroskopischen Eigenschaft des Materials vereinte. „Die zentralen atomistischen Mängel, die als Dislokationen bezeichnet werden, sind der ,Träger‘ der plastischen Deformation; sie ermöglichen das Aufeinanderrutschen angrenzender Kristallebenen. Bei der Untersuchung der Struktur einer wichtigen Dislokation beobachteten wir jedoch ein ungewöhnliches Verhalten, da sich diese in mehrere mögliche Geometrien zu verwandeln begann, die zu einem Arretieren führten, sodass sich diese nicht bewegen konnte. Diese neuen Strukturen wurden bereits zuvor experimentell beobachtet, jedoch für Versuchsanomalien gehalten“, erklärt Prof. Curtin. Forscher zeigten, dass diese unbewegliche Struktur ein natürlicher Bestandteil von Magnesium und für die geringe Duktilität des Materials verantwortlich ist. Das Team fand anschließend heraus, dass die Zugabe von Seltenerdelementen wie Yttrium, Neodym und Gadolinium selbst in geringen Konzentrationen die Anzahl an beweglichen Dislokationen erheblich erhöht und somit die Duktilität von Magnesium steigert. Unter Verwendung dieser Modelle prognostizierte das Team neue Legierungen mit guten duktilen Eigenschaften, die auf die Verwendung unerwünschter Seltenerdelemente verzichten. Ein Ende des Rätselratens für neue Hoch-Entropie-Legierungen Die neue, aus mehreren Elementen bestehende Klasse von Hoch-Entropie-Legierungen ist unter anderem aufgrund ihrer hohen Festigkeit und hohen Bruchbeständigkeit über ein breites Temperaturspektrum sehr gefragt. Trotz 70 Jahren an Versuchen hat es selbst bei einfachen Strukturen mit einem einzigen dominanten Element keine Modelle gegeben, welche die Legierungsfestigkeit präzise vorhersagen können. Die Forscher dehnten ihre Arbeit auf die Modellierung von Legierungsklassen aus, die unabhängig von der Anzahl der Elemente sowie deren Konzentrationen zwei gemeinsame Kristallstrukturen aufweisen. Durch Verwendung dieser Modelle kann auf der Grundlage bestimmter fundamentaler Atomeigenschaften die Festigkeit vieler Legierungen erfolgreich vorhergesagt werden. „Wir können jetzt neue Legierungen mit hoher Festigkeit herstellen, die es bis dato nicht gab. In Anbetracht der bloßen Zahl möglicher Zusammensetzungskombinationen ist dies eine wichtige Leistung, da Materialwissenschaftler kaum vorhersagen können, wo sie nach neuen Hoch-Entropie-Legierungen suchen sollen“, lautet das Fazit von Prof. Curtin. Die Projektarbeit könnte Ingenieuren bei der Entwicklung von Speziallegierungen für ein breites Anwendungsspektrum helfen, das von der Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie bis hin zur biomedizinischen Industrie reicht.

Schlüsselbegriffe

PreCoMet, Modell, Magnesium, Hoch-Entropie-Legierung, Metalllegierung, Duktilität, Dislokation, Seltenerdelement

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