Theorie und Simulation der Versetzungsbewegung in einphasigen hochentropischen Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Erik Bitzek; Professor Dr. Michael Zaiser
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289363470

Ungeordnete Mischkristalle, die mehr als 4 Komponenten in nahezu gleichen Anteilen enthalten, werden als Hochentropische Legierungen (High Entropy Alloys, im folgenden HEAs) bezeichnet. Sie bilden eine neue Materialklasse mit großem Potential für die Entwicklung neuer Legierungssysteme. Die Kombination von hoher Festigkeit, Härte und Duktilität sowie Korrosions- und Abriebfestigkeit macht HEAs zu aussichtsreichen Kandidaten für Anwendungen als Hochleistungs-Strukturwerkstoffe. Die hohe Festigkeit wird generell als eine extreme Form der Mischkristallhärtung interpretiert. Allerdings sind konventionelle Theorien der Mischkristallhärtung (Unterscheidung Matrix/Fremdatome) für HEAs nicht adäquat: Die Kombination kristalliner geometrischer Ordnung mit chemischer Unordnung erfordert neue theoretische Ansätze auch im Hinblick auf Versetzungsbewegung und Plastizität.Ziel des Antrags ist es, zu einem grundlegenden Verständnis der Versetzungsgleitbewegung und -plastizität in HEAs zu gelangen: Was folgt aus den neuartigen atomaren Mikrostrukturen für die Versetzungsbewegung, und wie lässt sich die entsprechende Temperatur- und Spannungsabhängigkeit des plastischen Verformungsverhaltens theoretisch analysieren und vorhersagen? Hierzu wird ein Vielskalenansatz vorgeschlagen, bei dem zunächst die Energielandschaft, in der die Versetzungsbewegung in HEAs stattfindet, auf mikroskopischer Skala durch atomistische Simulationen untersucht wird. Diese Landschaft wird durch statistische Kenngrößen (Barrierenstatistik, Korrelationsfunktionen) charakterisiert. Die gewonnene Information wird dann in eine mesoskalige Simulation mit der Methode der diskreten Versetzungsdynamik eingebracht, in der die atomaren Barrieren als stochastisches Hindernisfeld modelliert werden. Die Kombination atomistischer und mesoskaliger Simulationsmethoden ist erforderlich, um die komplexen, räumlich ausgedehnten Energiebarrieren zu erfassen, welche durch Anpassung wechselwirkender Versetzungslinien an atomare Hinderniskonfigurationen entstehen und die thermisch aktivierte Versetzungsbewegung bestimmen. Simulationen bei statischer Atomkonfiguration werden durch Monte-Carlo Simulationen zur Modellierung diffusiver Alterungsprozesse ergänzt. Hier können Platzwechsel von Atomen im Versetzungskern zu einer Verringerung der Versetzungsenergie und einer mit der Zeit anwachsenden Hinderniswirkung führen. Im Zusammenspiel mit spannungsgetriebener Versetzungsbewegung kann es dann zu dynamischer Reckalterung und PLC-ähnlichen Phänomenen kommen.Hauptanliegen unserer Untersuchung, die sich zunächst auf Modellsysteme konzentriert, ist es, ein Methodeninstrumentarium für die computergestützte Vorhersage der Versetzungsplastizität in HEAs bereitzustellen. Das ist auch deshalb wichtig, weil das Entwicklungspotenzial, das sich aus der chemischen Variabilität von HEA-Systemen ergibt, wohl nur durch Einsatz computergestützter Methoden der Legierungsentwicklung voll realisiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen