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Werkstoffwissenschaft

Computermodelle sagen Verformungsprozesse metallischer Werkstoffe voraus

| Redakteur: Beate Christmann

Einem deutsch-amerikanischen Forscherteam ist es nach eigenen Angaben gelungen, mit Computersimulationen das dynamische Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe vorherzusagen. Dank der Rechen- und Speicherleistung von Supercomputern sollen die Wissenschaftler berechnen können, wie die mehreren Milliarden Atome über viele Millionen Zeitschritte hinweg miteinander wechselwirken.

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Simulationsmodell eines verformten Tantalkristalls: Einem deutsch-amerikansichen Wissenschaftsteam soll es gelungen sein, das Festigkeitsverhalten metallischer Werkstoffe unter schneller Verformung bis auf einzelne Atome genau zu simulieren und damit vorhersagen zu können.
Simulationsmodell eines verformten Tantalkristalls: Einem deutsch-amerikansichen Wissenschaftsteam soll es gelungen sein, das Festigkeitsverhalten metallischer Werkstoffe unter schneller Verformung bis auf einzelne Atome genau zu simulieren und damit vorhersagen zu können.
(Bild: Stukowski/TU Darmstadt)

Die detaillierte Prognose von Metallfestigkeit war bisher unmöglich. Nun soll es Wissenschaftler der Technischen Universität Darmstadt und dem Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien gelungen sein, durch den Einsatz leistungsfähiger Supercomputer Simulationen zu erzeugen, mit denen sie das Festigkeitsverhalten eines metallischen Werkstoffs unter schneller Verformung bis auf einzelne Atome genau vorhersagen können. Die Forschungsergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Kristall nimmt letztlich stationären Zustand ein“

„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 vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften der TU Darmstadt, Mitautor der Studie. Der Wissenschaftler fährt fort: „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.“

Im Zentrum der wissenschaftlichen Arbeit stehen Liniendefekte – das sind Unregelmäßigkeiten im ansonsten ganz regelmäßigen Kristallgitter, dem aus Atomen zusammengesetzten inneren Gerüst eines Metalls. Sie entstehen zum Beispiel durch Krafteinwirkung von außen. Das deutsch-amerikanische Team konnte 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.

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