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Werkstoffwissenschaft

Computermodelle sagen Verformungsprozesse metallischer Werkstoffe voraus

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Liniendefekte bestimmen Festigkeit und Verformbarkeit eines Metalls

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.

Riesige Datenmengen und Rechenaufwand handhabbar gemacht

Ein Kubikmikrometer Metall besteht typischerweise aus 60 Mrd. Atomen. Aufgrund der riesigen Datenmenge und des notwendigen Rechenaufwands waren solch detaillierte numerische Simulationen für die Vorhersage von Metallfestigkeit bisher praktisch undenkbar. Wie das Forscherteam jetzt zeigte, sind solche atomistischen Simulationen möglich. „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 Stukowski. Der Forscher ergänzt:„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.“

Großrechner höchster Leistungsklasse erforderlich

Erst der Einsatz leistungsfähiger Supercomputer macht entsprechende Simulationen möglich, in denen die Bewegungsbahnen vieler 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.

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