Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Metalle an der Grenze der Verformbarkeit

28.09.2017

Forscher der Technischen Universität Darmstadt und des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien können erstmals mit neu entwickelten, präzisen Computermodellen den Verformungsprozess metallischer Werkstoffe bis auf einzelne Atome genau vorhersagen. Ihre Arbeit ist jetzt in „Nature“ erschienen.

Im Zentrum der wissenschaftlichen Arbeit stehen „Liniendefekte“ – Unregelmäßigkeiten im ansonsten ganz regelmäßigen Kristallgitter, dem aus Atomen zusammengesetzten inneren Gerüst eines Metalls. Sie entstehen zum Beispiel durch Krafteinwirkung von außen.


Simulationsmodell eines verformten Tantalkristalls. Ausgehend von den einzelnen Atomen (gelb) hat ein Algorithmus die Form der Versetzungsdefekte (grüne Linien) u. d. Zwillingsgrenzen (graue Flächen)

Alexander Stukowski

Mit einer Reihe aufwendiger Computersimulationen konnte das deutsch-amerikanische Team studieren, wie sich Liniendefekte in Metallen, sogenannte Versetzungen, vermehren und unter welchen Bedingungen sie auf sie wirkende mechanische Verformungskräfte nicht mehr genügend abbauen können.

Stattdessen kommt dann ein neuer Mechanismus ins Spiel, sogenannte Zwillingsbildung, bei der die Ausrichtung des Kristallgitters umorientiert wird. Die Forschungsarbeit, an der Dr. Alexander Stukowski vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften der TU Darmstadt beteiligt ist, ist am 27. September in der Zeitschrift Nature erschienen.

Festigkeit und Verformbarkeit eines Metalls, wie beispielsweise des in der Studie betrachteten Tantals, werden entscheidend durch Liniendefekte im kristallinen Aufbau auf der atomaren Ebene bestimmt. Diese Versetzungen sind für das Abgleiten der regelmäßig angeordneten Atomlagen in der Kristallstruktur verantwortlich, das bei plastischer Verformung des Werkstoffs auftritt.

Die Theorie der Versetzungen wurde in den 1930er Jahren entwickelt. Seitdem hat sich die Forschung vor allem der Wechselwirkung dieser linienförmigen Kristallfehler gewidmet, da sie eine wichtige Rolle für die Verfestigung von Metallen spielt. Hierbei nimmt die Festigkeit des Materials durch die fortlaufende Verformung zu – ein Effekt, der beispielweise von einem Schmied ausgenutzt wird, der ein Metall mit Hammer und Amboss bearbeitet.

„Wir sagen mit unserem Computermodell vorher, dass der Kristall letztendlich einen stationären Zustand einnehmen und in ihm unbegrenzt verweilen kann, nachdem er seine maximale Festigkeit erreicht hat“, sagt Dr. Alexander Stukowski, Mitautor der Studie. „Bereits vor Jahrtausenden wussten Schmiede intuitiv, dass sie die mechanischen Eigenschaften von Metallteilen durch das wiederholte Bearbeiten mit dem Hammer von verschiedenen Seiten deutlich verbessern können. Genau solch ein „Kneten“ des Metalls stellen wir in unserer atomar aufgelösten Simulation nach.“

Bislang galten die dabei relevanten Zeit- und Längenskalen als unüberwindbares Hindernis: Ein Kubikmikrometer Metall besteht typischerweise aus 60 Milliarden Atomen. Die Wissenschaftler können, aufbauend auf den Ergebnissen der in Nature veröffentlichten Arbeiten, heute berechnen, wie die Atome untereinander wechselwirken und die Bewegungsbahn jedes einzelnen Atoms über viele Millionen Zeitschritte hinweg verfolgen.

Aufgrund der riesigen Datenmenge und des notwendigen Rechenaufwands waren solch detaillierte numerische Simulationen für die Vorhersage von Metall¬festigkeit bisher praktisch undenkbar. Wie das Forscherteam jetzt zeigte, sind solche atomistischen Simulationen möglich – und sie können eine Fülle von Beobachtungen zu den mikroskopischen Prozessen liefern, die für das dynamische Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe von fundamentaler Bedeutung sind.

„Wir können in unserer Metallsimulation das Kristallgitter und die vielen Atome, aus denen es sich zusammensetzt, mit allen Details sehen und die Veränderung während der einzelnen Verformungsphasen studieren“, sagt Alexander Stukowski. „Die große Zahl der Atome und die Komplexität der dreidimensionalen Versetzungsstrukturen überfordern jedoch selbst ein geschultes Auge bei weitem. In unserer Forschungsgruppe in Darmstadt haben wir daher präzise Analysemethoden und Computeralgorithmen entwickelt, die Kristallfehler automatisch klassifizieren, herausfiltern und sichtbar machen können.“

Erst der Einsatz leistungsfähiger Supercomputer macht entsprechende Simulationen möglich, in denen die Bewegungsbahnen vieler Millionen oder Milliarden einzelner Atome berechnet und damit das Festigkeitsverhalten eines metallischen Werkstoffs unter schneller Verformung vorhergesagt werden kann.

Die Forscher setzten für ihre Studie Großrechner der höchsten Leistungsklasse am Lawrence Livermore National Laboratory und am Helmholtz-Forschungszentrum Jülich ein. Zur Auswertung und Darstellung der generierten Simulationsdaten diente eine Spezialversion der Software OVITO, die am Fachbereich Material- und Geowissenschaften der TU Darmstadt entwickelt und weltweit von Forschern eingesetzt wird.

Das Verfahren ermögliche nun einen ganz neuen Zugang zum Forschungsgegenstand, sagt Stukowski und zitiert den Physiker Colin Humphreys: „Kristalle sind wie Menschen. Es sind ihre Fehler, die sie interessant machen.“

Die Veröffentlichung
http://dx.doi.org/10.1038/nature23472

Informationen zur verwendeten Software:
http://www.ovito.org/

Kontakt:
Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Fachgebiet Materialmodellierung
Dr. Alexander Stukowski
Tel.: 06151/16-21898
E-Mail: stukowski@mm.tu-darmstadt.de

MI-Nr. 86/2017, Stukowski/sip

Simone Eisenhuth | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tu-darmstadt.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen
19.10.2017 | Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science

nachricht Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten
19.10.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise