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Projekt
Entschlüsselung des fraktalen abnormalen Kornwachstums auf der Nanoskala: ein Perkolationsszenario mit mikrostrukturbedingten Auswahlregeln
Fachliche Zuordnung
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Förderung
Förderung von 2015 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262772036
Nanokristalline (NK) Materialien sind auf Grund ihrer hohen Grenzflächendichte weit weg vom thermodynamischen Gleichgewicht. Die in den Grenzflächen gespeicherte Exzessenergie liefert die treibende Kraft für die Vergröberung der nanoskaligen Mikrostruktur. Anders als in vielen mikrokristallinen Metallen verläuft das Kornwachstum in NK Metallen typischerweise abnormal. Erstaunlicherweise ist weder auf der Mikro- noch auf der Nanoskala verstanden, welche Umstände (mikroskopischen Details) dazu beitragen, dass gewisse Körner im Vergleich zu ihrer umgebenden Matrix einen Wachstumsvorteil erfahren und diesen auch während des weiteren Wachstums aufrecht erhalten, um so zum typischen Erscheinungsbild von vereinzelten riesigen Körnen, die in eine vergleichsweise feinkörnige Matrix eingebettet sind, beizutragen. Dieses bestehende Mysterium wird durch eine kürzlich gemachte Entdeckung erst einmal noch verstärkt bzw. bereichert: in NK metallischen Modellsystemen (Pd und Pd-Au Legierungen) bilden die sich bewegenden Berandungen abnormal wachsender Körner hochgradig irreguläre Strukturen aus. Genauer gesagt findet man fraktale Strukturen wie sie etwa bei der erzwungenen Bewegung von Domänenwänden durch ein Feld von in Ort und Stärke stochastisch verteilter Haltekräfte beobachtet werden, bzw. fraktale Kornberandungen mit einer Dimensionalität, welche beim Studium von Perkolationsprozessen auf einer Netzwerkstruktur gefunden wird. Stimuliert durch diese Analogie besagt unsere zentrale Arbeitshypothese, dass fraktales abnormales Kornwachstum auf der Nanometerskala durch einen Perkolationsprozess, der auf dem "Netzwerk" der anfänglich gegebenen homogenen, nanoskaligen Mikrostruktur abläuft, beschrieben und verstanden werden kann. Zur Validierung dieses Konzepts werden state-of-the-art Mikroskopietechniken eingesetzt und Computersimulationen auf der Basis von Phasenfeldalgorithmen durchgeführt. Das Perkolationsszenario bietet auf der Modellierungsseite nicht nur die Möglichkeit, verschiedene Auswahlregeln für fraktales abnormales Wachstum zu testen und Übereinstimmung mit realen Mikrostrukturen zu erzwingen, sondern eröffnet auch einen neuen Korridor, nämlich die als richtig identifizierte(n) Auswahlregel(n) in Zusammenhang mit mikroskopischen Gefügeparametern zu bringen, die dann wiederum im Experiment validiert werden können. Schließlich werden auch umgekehrt experimentelle Erkenntnisse in Auswahlregeln übersetzt und überprüft, um gesicherte Kenntnisse über die dem fraktalen abnormalen Wachstum zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
Internationaler Bezug
Dänemark
Beteiligte Personen
Professor Dr. Christian Kübel; Dr. Sören Schmidt
