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.

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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