C01 - Multiphysikale Beschreibung von Metall-Intermetall-Verbundwerkstoffen auf der Kornebene

Projektleiter/in

  • Stefanie Sandlöbes
  • Franz Roters

Zusammenfassung

Projekt C01 konzentriert sich auf die Co-Verformung einer Mischkristallmatrix, die mit einem intermetallischen Phasenskelett verstärkt ist, unter Verwendung von Kristallplastizitätssimulation und Verformungsexperimenten. In einem ersten Ansatz werden die intermetallischen Verstärkungsphasen als elastische Einschlüsse betrachtet, während die Matrixphase als plastische Phase berechnet wird, um optimale Netzwerkstrukturen in Bezug auf Volumenanteile, Morphologie und räumliche Anordnung zu bestimmen. Es wird eine experimentelle Validierung des mechanischen Verhaltens und der Mikrostrukturevolution ausgewählter Verbundnetzstrukturen durchgeführt. Insbesondere werden Verbundproben mit unterschiedlichem Volumenanteil und Morphologie der konstituierenden Phasen mit Hilfe von Quasi-in-situ- und in-situ-Verformungsexperimenten untersucht. In einem zweiten Schritt werden die mechanischen Eigenschaften und Verformungsmechanismen der intermetallischen Phasen als physikalische Konstituentenmodelle implementiert, wobei die Daten aus Experimenten der intermetallischen Phasen (A05) und der Grenzflächen (C02) sowie aus atomistischen Simulationen (A06, C05) in anderen Projekten verwendet werden.

Motivation

Die Verformung von Mischkristall-/Intermetall-Verbundlegierungen wird zum einen durch die intrinsischen Plastizitätsmechanismen der einzelnen Phasen, ihre Grenzflächen und ihre Kodeformationsmechanismen gesteuert. Andererseits bestimmen die dreidimensionale Netzwerkstruktur und Morphologie der Mischkristallmatrix und der intermetallischen Phase(n) die untere und obere Grenze des Verfestigungs-/Verstärkungspotentials.

Ziele

Die wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, die im Teilprojekt C01 behandelt werden sollen, sind:

  • Was sind die geometrischen Auswirkungen des dreidimensionalen Verbundnetzwerks auf den Festigkeits- und Duktilitätsbereich von Verbundlegierungen?
  • Inwieweit beeinflusst die Plastizität der intermetallischen Verstärkungsphasen die mechanischen Eigenschaften von Verbundlegierungen?

Das Gesamtziel von Projekt C01 ist es, einerseits dreidimensionale Netzwerkstrukturen und Morphologien von Verbundlegierungen mit hohem geometrischen Festigkeitspotential zu identifizieren und andererseits eine multiphysikalische Beschreibung der (Ko-)Verformungsmechanismen zu liefern, die in Projekten identifiziert wurden, die den Mischkristall oder die intermetallischen Phasen getrennt untersuchen.

Methoden

  • Kristallplastizitätssimulationen und gekoppelte Kristallplastizität - Phasenfeldsimulationen
  • In-situ-DIC-Messungen
  • Elektronenmikroskopie (SEM, EBSD, konventionelles TEM)

C02 - Co-Verformung von intermetallisch-metallischen Verbundwerkstoffen

Projektleiter/in

  • Sandra Korte-Kerzel

Zusammenfassung

Dieses Projekt befasst sich mit der Co-Deformation eines intermetallischen Skeletts (Laves-Phasen und Mg17Al12) und einer metallischen Matrix (Mg-Mischkristall). Während die Verformungsmechanismen jeder Phase in dedizierten Projekten (z.B. experimentell in A01, A05 und B06) untersucht werden, liegt der Schwerpunkt dieses Projekts auf der Aufklärung ihrer Wechselwirkung und Konkurrenz im metallisch-intermetallischen Verbundwerkstoff.

Motivation

Bei der Konstruktion von Mehrkomponentenlegierungen als Verbundwerkstoffe aus intermetallischen und metallischen Phasen ist es wichtig, die Eigenschaften der einzelnen Phasen zu berücksichtigen, aber auch, wie diese interagieren und konkurrieren, wenn sie als eine Einheit verformt werden. Dieses Verständnis bildet die Grundlage für das erforderliche Mikrostrukturdesign, bei dem Verfestigung und Versprödung ausbalanciert werden müssen und die dreidimensionalen Strukturen und ihre metallisch-intermetallischen Grenzflächen die Verformung steuern können.

Ziele

  • Identifizierung der dominierenden Verformungsmechanismen, die die Verformung bei verschiedenen Dehnungen, Temperaturen und in verschiedenen Mikrostrukturmorphologien und Legierungszusammensetzungen steuern
  • Verständnis der Gleitübertragungsmechanismen an der intermetallisch-metallischen Grenzfläche
  • Quantifizierung der Dehnungsaufteilung und Lokalisierung
  • Mikrostrukturdesign in Zusammenarbeit mit eng verbundenen Projekten unter Berücksichtigung von Phaseneigenschaften, Brucheigenschaften von Phasen und Grenzflächen, Mikrostrukturmorphologie und Verarbeitungsbedingungen, um diese zu erreichen

Methoden

  • Mikromechanische In-situ-Prüfung
  • Digitale Bildkorrelation zur Quantifizierung der lokalen Dehnung
  • Bildanalyse unterstützt durch künstliche Intelligenz zur Quantifizierung von Verformungsmechanismen (intermetallischer Bruch, Grenzflächenversagen, Gleitbandbildung,...) auf hochauflösenden Panoramaschliffbildern
  • Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie einschließlich Beugungstechniken (SADP, EBSD) zur Analyse von Gleitübertragungsmechanismen
  • Dedizierte nanomechanische Experimente an intermetallisch-metallischen Grenzflächen

C03 - Korrosionsmechanismus beeinflusst durch komplexe metallische Phasen

Projektleiter/in

  • Daniela Zander

Zusammenfassung

Nützliche Strategien zur Kontrolle der Korrosion und zum Entwurf korrosionsbeständigerer Legierungen und/oder Mikrostrukturen hängen von einem tiefen Verständnis der zugrundeliegenden Korrosionsmechanismen ab: Bei Legierungen hängen diese neben anderen Faktoren von den gebildeten Mischkristallen, der Art und Verteilung der ausgeschiedenen Sekundärphasen sowie von schweren spannungsinduzierten energetischen Kristalldefekten ab. Es ist weithin anerkannt, dass sekundäre intermetallische Phasen je nach Gehalt, Verteilung und Morphologie entweder als Korrosionsbarriere wirken oder die Korrosionsrate aufgrund galvanischer Kopplung beschleunigen können. Wichtig ist die Tatsache, dass nicht nur die Zusammensetzung, sondern vor allem die Größe und die Verteilung der Ausscheidungen Kontrollvariablen für den Korrosionsprozess sind. Darüber hinaus ist bekannt, dass komplexe metallische Phasen in mehreren fortgeschrittenen Legierungen ausfallen. Dennoch wurden bisher kaum systematische und grundlegende Studien über ihre elektrochemischen Eigenschaften und ihren Einfluss auf den Korrosionsmechanismus innerhalb einer komplexen Mikrostruktur, bestehend aus intermetallischem Skelett, Matrix, Nano-Ausscheidungen und zuvor eingeführten Versetzungen, durchgeführt.

Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung eines mechanistischen Verständnisses des Korrosionsmechanismus, der vom Volumenanteil, der Phasenverteilung und der Morphologie komplexer intermetallischer Phasen beeinflusst und mit der auf Versetzungen basierenden Plastizität verknüpft ist.

Motivation

Mg-Al-Ca, das innerhalb des SFB als Modellwerkstoff eingesetzt wird, wurde bereits im Rahmen der Entwicklung von Magnesiumlegierungen mit verbesserten Korrosionseigenschaften eingehend untersucht. Der Ansatz der ingenieurtechnischen atomaren Komplexität wurde in diesem Zusammenhang jedoch noch nie bewertet und es wird erwartet, dass er zu einem grundlegenden Verständnis des Einflusses verschiedener komplexer kristalliner Phasen, die innerhalb des Mg-Al-Ca-Systems bereitgestellt werden, auf den Korrosionsmechanismus führt, der mit der zuvor eingeführten Versetzungsplastizität verknüpft ist.

Ziele

Ziel dieses Projekts ist die Erforschung von Korrosionsmechanismen durch 2D- und 3D-Untersuchungen, die als Grundlage für die Entwicklung eines mechanistischen Verständnisses des Einflusses komplexer intermetallischer Phasen, wie Al12Mg17, Mg2Ca, (Mg, Al)2Ca, innerhalb einer komplexen Mikrostruktur aus intermetallischem Skelett, Matrix, Nanopräzipitaten und Versetzungen auf die wässrige Korrosion dienen. Elektrochemische und mikrostrukturelle (REM, TEM/EELS (B01-TS), XANES, ICP-MS) 2D-Untersuchungen nach Korrosion sollen wertvolle Einblicke in die elektrochemischen Eigenschaften und Reaktionen, z.B. Auflösung, Passivität, der intermetallischen Phasen geben, die zwischen verschiedenen Phasen wirken. Von 3D-Untersuchungen, z.B. durch "quasi" in-situ-Synchrotron-Tomographie, wird erwartet, dass sie eine ausreichende Grundlage für die Entwicklung eines mechanistischen Verständnisses des Korrosionsprozesses liefern, der z.B. durch Volumenanteil, Phasenverteilung und Morphologie beeinflusst wird. Die wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, die behandelt werden sollen, sind:

  • Einfluss komplexer intermetallischer Phasen auf den lokalisierten Korrosionsmechanismus innerhalb der Mikrostruktur von Mg-Al-Ca-Legierungen, die aus intermetallischem Skelett, Matrix und Nano-Ausscheidungen bestehen und mit versetzungsbasierter Plastizität verknüpft sind.
  • Übertragung auf ein verallgemeinertes mechanistisches Korrosionsmodell

Methoden

  • Gleichstrom- (DC) / Wechselstrom- (AC) Korrosionsmessungen
  • Abtastende Vibrationselektrodentechniken / Abtastende ionenselektive Elektrodentechnik (SVET/SIET)
  • Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS)
  • Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)
  • Röntgenbeugung (XRD)
  • In-situ TEM/EELS (mit B01)
  • Rasterelektronenmikroskopie (SEM + EDS)
  • (quasi) in-situ-Synchrotron-Tomographie und XANES/XRF (Anträge gehen an DESY, ESRF, BESSY)

C04 - Kombinatorischer Mikrostruktur-Entwurf

Projektleiter/in

  • Hauke Springer

Motivation

Die Motivation dieses Projekts besteht darin, das Konzept des CRC für das Design neuartiger Werkstoffe zu ergänzen, indem es die Grundlage für die Nutzung des abgeleiteten atomistischen Verständnisses für die Beziehungen zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften von Schüttgut schafft. Dies wird durch einen zweifachen Ansatz angestrebt: (i) Kombinatorische Hochdurchsatz-Screenings (von oben nach unten; Hauptteil des Projekts) und (ii) wissensbasiertes Mikrostrukturdesign (von unten nach oben) in enger Interaktion mit anderen Projekten innerhalb des SFB. Die untersuchten Materialien und ihre spezifischen Verformungsphänomene umfassen ein breites Spektrum und sind hinsichtlich der relevanten Parameter, die sie steuern, komplex. Dieses Projekt zielt daher darauf ab, eine solide mechanische, mikrostrukturelle und thermodynamische Basis zu schaffen, von der aus die Werkstoffe zu einem späteren Zeitpunkt zur industriellen Anwendung gereift werden können.

Ziele

  • Bereitstellung von Eigenschaftskarten des ternären Mg-Al-Ca-Systems durch Massenuntersuchungen mit hohem Durchsatz. Identifizierung der chemischen Zusammensetzung und Verarbeitungsparameter (insbesondere die Erstarrungsrate) für eine optimale Materialleistung und Verifizierung der Calphad-Vorhersagen. Entwicklung der Methodik für zukünftige Materialsysteme.
  • Erhaltung der Schüttgutmaterialien mit bestimmten Mikrostrukturen, um theoriebasierte Vorhersagen hinsichtlich optimaler Verformungsprozesse und Korrosionsverhalten zu validieren und zu nutzen.

Methoden

  • Screenings mit hohem Durchsatz: Kombinatorisches Gießen in gestufte Formen zur gleichzeitigen Variation der Erstarrungsgeschwindigkeit. Walzen in kleinem Maßstab gekoppelt mit Wärmebehandlungen zur Bewertung der Eignung für thermomechanische Behandlungen. Grundlegende Gefügecharakterisierung durch optische und Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenbeugung. Mechanische Eigenschaften durch Zug- und Biegeversuche.
  • Wissensbasierte Konstruktion: Verschiedene flüssigmetallurgische Syntheseverfahren von gerichteter Erstarrung bis zum Platinenabschrecken, gekoppelt mit komplexer thermischer Verarbeitung. Mikrostrukturcharakterisierung und mechanische/chemische Eigenschaften wie oben.

C05 - Ab initio Thermodynamik von Defektphasen

Projektleiter/in

  • Tilmann Hickel

Motivation

In diesem Projekt wird die mehrdimensionale Rolle von Defekten in Mg-Legierungen mit ab initio-Methoden untersucht. Die Simulation der Stabilität, Struktur und Zusammensetzung dieser Defekte in Abhängigkeit von Verarbeitungsparametern, wie Zusammensetzung, Temperatur und Spannung, erfordert Konzepte, die über die etablierten Wege der Bulk-Thermodynamik hinausgehen. Chemische Potentiale werden bei der Entwicklung und Verknüpfung von Defektphasendiagrammen eine wesentliche Rolle spielen. Um sie zu bewerten, werden Volumenphasen und ihre Punktdefekte untersucht. Darüber hinaus erfordern die weichen Bindungen in Mg möglicherweise die Einbeziehung von Temperatureffekten, die über die Konfigurationsentropie hinausgehen, sowie von nicht-adiabatischen Kopplungseffekten. Die Methoden werden auf planare Defekte wie Zwillingsgrenzen und Stapelfehler im Mg-Matrixmaterial und den intermetallischen Phasen angewandt. In gleicher Weise werden auch die Grenzflächen zwischen diesen Phasen betrachtet. Die Entmischung von Legierungselementen zu diesen Defekten und ihre Auswirkungen auf die lokale Atomstruktur werden berechnet. Die Forschung wird in enger Zusammenarbeit mit Projekten durchgeführt, die Defekte experimentell charakterisieren und die Thermodynamik und mechanischen Eigenschaften des Mg-Al-Ca-Systems modellieren.

Ziele

  • Thermodynamische Stabilität von Defekten als Funktion der chemischen Zusammensetzung in Mg und in den Ausscheidungsphasen (Laves-Phasen und Mg17Al12)
  • Ab-initio-Phasendiagramme von niedrigdimensionalen Strukturen einschließlich der Auswirkungen von strukturellen Einschränkungen
  • Segregationsprofile (Konzentration und Ausdehnung) von gelösten Stoffen um Defekte herum, einschließlich der Grenzfläche zwischen Matrix und Präzipitaten
  • Mechanisch-chemische Kopplungsmechanismen während der Defektkernbildung und des Wachstums
  • Interpretation experimenteller Phänomene und Bestimmung von Parametern für andere Berechnungsprojekte (insbesondere A2, A6, B4, C1, C5)

Methoden

  • Dichtefunktionaltheorie für Volumen- und Defektstrukturen
  • Konzepte der Thermodynamik und Statistik, inkl. Konzepte für chemische Unordnung
  • Gummibandstoßmethode und kinetische Monte-Carlo-Simulationen (3. Periode)

C06 - Calphad Beschreibung des Mg-Al-Ca-Systems und dessen Defektphasen

Projektleiter/in

  • Bengt Hallstedt

Zusammenfassung

In diesem Projekt wird eine völlig neue Calphad-Beschreibung der 3. Generation für das Mg-Al-Ca-System entwickelt, die alle wichtigen Phasen über den gesamten Konzentrationsbereich und von 0 K bis weit über Schmelztemperaturen beschreibt. Dies wird möglich sein, indem die Modellierung vollständig auf ab initio-Berechnungen (aus Projekt C05) basiert und indem neue Modelle für die Elemente verwendet werden, die derzeit unter der Schirmherrschaft der SGTE (Scientific Group Thermodata Europe) entwickelt werden. Während das Wissen über das Phasendiagramm und die thermodynamischen Eigenschaften seiner (Bulk-)Phasen für die Entwicklung und Verarbeitung von Legierungen notwendig ist, werden viele ihrer Eigenschaften durch Defekte, insbesondere Korngrenzen, Phasengrenzflächen und Versetzungen, bestimmt. Die thermodynamischen Eigenschaften von Defekten und ihre Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen (oder Phasen) sind jedoch viel weniger verstanden. Ein zentrales Thema innerhalb des SFB ist die Entwicklung von Defekt-Phasen-Diagrammen, d.h. die Untersuchung von Übergängen zwischen verschiedenen Defektzuständen. In diesem Projekt werden thermodynamische Modelle für verschiedene Defektzustände entwickelt, die zur Berechnung von Gleichgewichten zwischen verschiedenen Zuständen verwendet werden können, um Defektphasendiagramme zu erstellen. Darüber hinaus wird ein Rahmenwerk für die Aufnahme von zusammensetzungs- und temperaturabhängigen Kristalldimensionen (Gitterparameter und Winkel) und elastischen Konstanten in thermodynamische Calphad-Datenbanken entwickelt.

Motivation

Phasendiagramme sind unverzichtbare Werkzeuge für die Entwicklung und Verarbeitung von Legierungen. Thermodynamische Modelle für stabile und metastabile Zustände bilden die Grundlage für kinetische Simulationen der mikrostrukturellen Entwicklung von Legierungen. Defekte sind für viele Eigenschaften von Legierungen verantwortlich, aber ihre thermodynamischen Eigenschaften sind nicht gut bekannt, und insbesondere die Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen (Phasen) sind nur unzureichend verstanden.

Ziele

  • Vollständige thermodynamische Beschreibung der stabilen und metastabilen Zustände im Mg-Al-Ca-System von 0 K bis weit oberhalb der Schmelztemperaturen.
  • Untersuchung der thermodynamischen Modellierung von Defektphasendiagrammen (Korngrenzen, Phasengrenzflächen, Versetzungen).
  • Einbeziehung von Molvolumina auf der Grundlage von Kristalldimensionsdaten und elastischen Konstanten

Methoden

  • Die thermodynamische Modellierung nach dem Calphad-Ansatz wird auf Modelleigenschaften und Phänomene ausgedehnt, die bisher nur selten oder gar nicht modelliert wurden.