Design und mechanische Eigenschaften chemisch-komplexer Legierungen: von Zwillings-induzierter Plastizität zu bidirektionaler transformations-induzierter Plastizität (MULTI-TRIP CCAs)

• Antragsteller: Dr. Fritz Körmann; Professor Dr.-Ing. Dierk Raabe
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388544551

Der transformations-induzierte Plastizitätseffekt (TRIP) wurde mit Hilfe einer kombinierten ab-initio-experimentellen Strategie erfolgreich in interstitiell-legierte, kubisch-flächenzentrierte (FCC) CrCoNiMnFe-basierte Hochentropielegierungen (HEAs) eingeführt. Drei quinäre HEAs wurden aus ab initio Rechnungen bestimmt und experimentell untersucht. Die Simulationen erlaubten es, die beobachteten Deformationsmechanismen zu analysieren und unterstrichen die hohe Effizienz der in der ersten Förderperiode entwickelten, gekoppelten Theorie-Experiment-Methodik um interstitiell-legierte CCAs mit niedrigen Stapelfehlerenergien (SFEs) und exzellenten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln.Neue Möglichkeiten bieten sich nun in der Erforschung der Thermodynamik und Materialeigenschaften solcher niedrig-SFE-Legierungen. In diesen kann die Legierungsmatrix wegen der energetischen Koexistenz zweier Phasen sowohl Strukturen der hexagonal dichtesten Kugelpackung (HCP) also auch FCC aufweisen. In der Nähe dieser Phaseninstabilität kann ein bidirektionaler TRIP Effekt induziert werden, d.h. FCC Phasen können unter Last in HCP umwandeln und umgekehrt, abhängig von den lokalen, mikromechanischen Spannungen. Dies kann zu einer extremen Mikrostruktur-Verfeinerung bis hinunter auf die Nanometer-Skala führen und die mechanischen Eigenschaften enorm verbessern. Das Projekt MULTI-TRIP-CCAs baut auf dem erfolgreichen ersten Projekt auf und zielt darauf ab, die Festigkeits-Verformbarkeits-Kombination von quinären CCAs durch die Einführung des bidirektionalen TRIP-Effekts in interstitiell-legierten CCAs signifikant zu steigern. Dies wird durch die Kombination aus ab-initio-Simulationen und verschiedenen experimentellen Methoden erzielt. Letztere beinhalten das RAP Verfahren (RAP steht für Rapid Alloy Prototyping), digitale Bild-Korrelations-unterstützte (DIC) Zugversuche, Röntgenbeugungsexperimente (XRD), Elektronenrückstreubeugung (EBSD), Transmissionselektronenmikroskop (TEM) sowie den Einsatz tomographischer Atomsondentomographieexperimente. Ab-initio-Rechnungen erlauben einen großen Kompositionsraum auf vielversprechende Legierungen nahe der Phaseninstabilität zu untersuchen. Schlüsselgrößen, die die quantenmechanischen Berechnungen und die entsprechenden Experimente miteinander verbinden, sind die SFE als auch die HCP-, FCC- und DHCP-Phasenstabilitäten. Verschiedene CoCrFeMnNi-Legierungen mit niedrigen SFEs werden entwickelt. Jedes Hauptelement hat eine Konzentration zwischen 5 und 35 at. %, während die interstitiellen Legierungselementen mit weniger als 1,5 at.% variiert werden. Der Kompositionsraum wird um Variationen von Cr und Co bzgl. der ersten Projektphase erweitert. Mit den Simulationen werden vielversprechende Legierungen, Designregeln und physikalische Interpretationen herausgearbeitet. Skalenübergreifenden experimentelle Techniken erlauben die exzellenten mechanischen Eigenschaften der neuen Legierungen sowie die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2006: Legierungen mit komplexer Zusammensetzung - Hochentropielegierungen (CCA - HEA)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jörg Neugebauer