Untersuchung der Versetzungsdynamik an Oberflächen und Grenzflächen mit der Diskret-Kontinuums-Methode mit Anwendung auf das Verformungsverhalten von metallischen Nanolaminaten

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Zaiser
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429421091

Hauptziel des Projekts ist es, das plastische Verformungsverhalten metallischer Nanolaminate durch versetzungsdynamische Simulation zu untersuchen und hierfür verbesserte Simulationsverfahren zu entwickeln. Metallische Nanolaminate entstehen durch Kombination von Schichten aus unterschiedlichen Metallen mit Schichtdicken im Nanometerbereich. Ihre Plastizität wird durch Wechselwirkungen der Kristallversetzungen mit den intermetallischen Grenzflächen der Laminatstruktur bestimmt. Diese Wechselwirkungen finden einerseits auf der atomaren Skala statt. Hier bestimmen, ähnlich wie an inneren Grenzflächen (Korn- und Zwillingsgrenzen), atomare Umlagerungsprozesse die Emission, Absorption oder Transmission von Versetzungen. Zusätzlich führen die elastischen Randbedingungen an Grenzflächen aus elastisch stark unterschiedlichen Materialien zu weitreichenden elastischen Wechselwirkungen in Form von Bildkräften. So werden Versetzungen des elastisch weicheren Materials von der Grenzfläche abgestoßen, Versetzungen des elastisch härteren Materials angezogen (Koehler-Effekt). Zugleich modifizieren die elastischen Grenzflächeneffekte die Spannungsfelder und Wechselwirkungen der Versetzungen untereinander. Eine wesentliche Voraussetzung für die Simulation des Verformungsverhaltens von Nanolaminaten mit der Methode der diskreten Versetzungsdynamik ist daher eine genaue Berechnung der Grenzflächeneinflüsse auf die inneren Spannungsfelder des Versetzungssystems.In dieser Hinsicht sind in den letzten Jahren durch Entwicklung der sogenannten Diskret-Kontinuums-Methode wichtige Fortschritte gemacht worden. Hierbei werden die inneren Spannungsfelder in hybrider Weise durch Überlagerung der singulären Spannungsfelder von Versetzungssegmenten mit einem langsam variierenden Spannungsfeld beschreiben, das durch Lösung eines räumlich vergröberten Eigenspannungsproblems bestimmt wird und elastische Randbedingungen an Grenzflächen und Oberflächen berücksichtigt. Allerdings wurden bislang für die singulären Spannungsfelder stets Ausdrücke verwendet, die streng nur im Inneren eines unendlich ausgedehnten Körpers gelten. Dies führt an Grenz- und Oberflächen zu einer Fehlpassung und damit zu einer ungenauen Beschreibung der Versetzungsdynamik. Wir beheben dieses Defizit, indem wir bei der Berechnung der singulären Spannungsfelder in Grenz- bzw. Oberflächennähe mathematisch exakte Korrekturterme berücksichtigen. Diese wurden in den letzten Jahren von Prof. Yuan hergeleitet, der an dem Projekt als Mercator-Fellow beteiligt ist. Die verbesserte Diskret-Kontinuums-Methode erlaubt es uns, Grenzflächeneffekte und inhomogene Verformungsprozesse (Nanoindentierung) in Nanolaminaten genau zu beschreiben. Wir nutzen dies, um komplexe Beobachtungen wie z.B. Festigkeitsumkehr in Cu-Au Laminaten (das elastisch festere Cu plastifiziert stärker als das elastisch weichere Au) zu verstehen und das Verhalten gradierter Nanolaminate unter verschiedenen Lastfällen zu analysieren und zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xu Zhang