A. Stukowski und ein Team vom Lawrence Livermore Lab lösen ein 100 Jahre altes Metallurgie-Rätsel

Atomistic insights into metal hardening, Luis A. Zepeda-Ruiz, Alexander Stukowski, Tomas Oppelstrup, Nicolas Bertin, Nathan R. Barton, Rodrigo Freitas & Vasily V. Bulatov, Nature Materials (2020) https://doi.org/10.1038/s41563-020-00815-1

15.10.2020 von

Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansichten zeigen atomistische Simulationen im ultra-großen Maßstab, dass der abgestufte Charakter der Kaltverfestigung von Metallen von der Kristallrotation herrührt, während das Versetzungsverhalten über alle Stufen hinweg gleich bleibt.

Um genau zu verstehen, wie Metalle in molekulardynamischen Simulationen auf hohe Dehnraten reagieren, verwenden A. Stukowski und Wissenschaftler vom LLNL neuartige Methoden der In-Silico-Mikroskopie, um Defekte im Kristallgitter aufzudecken (Objekte mit grüner und roter Linie und Objekte mit grauer Oberfläche oben). Entfernt sind im oberen Bereich alle Atome (gelbe Kugeln).

Um ein 100-jähriges Rätsel in der Metallurgie zu lösen, warum Einkristalle eine abgestufte Härtung zeigen, während andere dies nicht tun, haben Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) um Dr. Vasily Bulatov und Dr. Alexander Stukowski aus dem Fachgebiet Materiamodellierung der TU Darmstadt das Problem auf der atomistischen Ebene betrachtet.

Die Forschung erschien in der 5. Oktober Ausgabe von Nature Materials.

Seit Jahrtausenden nutzen Menschen die natürlichen Eigenschaften von Metallen, um bei mechanischer Verformung fester zu werden oder zu härten. Deshalb sind die Mechanismen der Metallhärtung seit mehr als einem Jahrhundert im Fadenkreuz physikalischer Metallurgen.

Das Team führte atomistische Simulationen an den Grenzen des Supercomputing durch, die groß genug sind, um statistisch repräsentativ für die makroskopische Kristallplastizität zu sein, aber vollständig aufgelöst sind, um die Ursprünge der Metallhärtung auf ihrer grundlegendsten Ebene der Atombewegung zu untersuchen.

Die Hauptursachen der Metallhärtung waren bis vor 86 Jahren unbekannt, als Versetzungen – krummlinige Kristalldefekte durch Gitterstörung – für die Kristallplastizität verantwortlich gemacht wurden. Obwohl ein direkter Kausalzusammenhang zwischen Versetzungen und Kristallplastizität fest etabliert ist, hat kein Team beobachtet, was Versetzungen in situ – während der Verformung- im Volumen des Materials bewirken.

Die Wissenschaftler verließen sich auf einen Supercomputer, um zu klären, was die Metallhärtung verursacht. Anstatt zu versuchen, die Härtung aus den zugrunde liegenden Mechanismen des Versetzungsverhaltens abzuleiten, was seit Jahrzehnten das Ziel der Versetzungstheorie ist, führten sie „ultra-large-scale“ Computersimulationen auf der grundlegendsten Beschreibungsebene -der Bewegung der Atome- durch.

Das Team zeigte, dass das berüchtigte abgestufte (Flexions-) Härten von Metallen eine direkte Folge der Kristallrotation unter einachsiger Dehnung ist. Im Widerspruch zu sehr unterschiedlichen und widersprüchlichen Ansichten in der Literatur stellten die Forscher fest, dass die grundlegenden Mechanismen des Versetzungsverhaltens in allen Stadien der Metallhärtung gleich sind.

Die Forschung wurde vom ASC-Programm der National Nuclear Security Administration und der Technischen Universität Darmstadt finanziert.