Verformungsmechanismen in KFZ und KRZ High Entropy Alloys unter verschiedenen Bedingungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Alexander Kauffmann; Dr. Klaus-Peter Weiss
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388669535

Das klassische Konzept zur Erzeugung metallischer Werkstoffe basiert auf dem Prinzip, die Eigenschaften eines metallischen Hauptelements durch gezieltes Zusetzen von meist geringen Mengen anderer Elemente zu verbessern bzw. gezielt einzustellen. Im Gegensatz dazu basieren "High Entropy Alloys" (engl. konfigurationsstabilisierte Legierungen) auf mindestens fünf Elementen in signifikant großen Mengen - in der Regel sogar mit gleicher atomarer Konzentration. Als Beispiele können hier z. B. CoCrFeMnNi und HfNbTaTiZr genannt werden, in denen die fünf Elemente in jeweils gleicher Konzentration vorliegen. Entgegen der metallurgischen Erwartung, dass in diesen Legierungen spröde, intermetallische Phasen entstehen, bilden sich bei entsprechender Behandlung vergleichsweise einfache ungeordnete, kubischflächenzentrierte bzw. kubischraumzentrierte Kristallstrukturen in diesen beiden Systemen aus. Dementsprechend zeigen diese beiden Legierungen gute Duktilität auch bei tiefen Temperaturen. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist, die Mechanismen der plastischen Verformung gerade bei tiefen Temperaturen bzw. bei hohen Dehnraten aufzuklären. Dazu ist es zunächst notwendig die Legierungen in reproduzierbaren Gefügezuständen herzustellen und die vollständige Unordnung auf verschiedenen Längenskalen festzustellen. Anschließend werden die unterschiedlichen Beiträge zur plastischen Verformung durch Versetzungsbewegung oder mechanischer Zwillingsbildung bei tiefen Temperaturen bzw. hohen Dehnraten quantitativ erfasst. Dies soll zu einem besseren Verständnis der plastischen Verformung gerade im bisher wenig untersuchten HfNbTaTiZr-Legierungssystem beitragen. Das so gewonnene Wissen soll anschließend bei tiefsten Temperaturen (Temperatur des flüssigen Heliums 4,2 K) dazu genutzt werden, um die Wechselwirkung der Verzerrungen und lokalen Unordnung durch die Vielzahl an verschiedenen Elementen mit Versetzungen aufzuklären. Dies ist durch die ausreichende Unterdrückung der thermischen Aktivierung in diesem Temperaturbereich möglich. Zur Interpretation solcher Experimente müssen allerdings auch die besonderen physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Materialien - niedrige thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität - mit in Betracht gezogen werden, die die Kopplung der Proben an das Kühlmedium bzw. die Wärmeabfuhr aus Regionen lokalisierter plastischer Verformung erschweren können. Ein ganzheitliches Bild der Wechselwirkung von Versetzungen mit den Verzerrungen des Kristallgitters soll schließlich anhand seiner wichtigsten makroskopischen Manifestation gewonnen werden - der Mischkristallverfestigung. Eine kürzlich vorgestellte Theorie soll dazu gezielt durch entsprechende mechanische und strukturelle Versuche im System CoCrFeMnNi verifiziert werden bzw. der Vergleich dieser Theorie mit den Ergebnissen im System HfNbTaTiZr auf ihre Übertragbarkeit zur kubischraumzentrierten Kristallstruktur überprüft werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2006: Legierungen mit komplexer Zusammensetzung - Hochentropielegierungen (CCA - HEA)
• Internationaler Bezug: Indien, Slowakei, USA
• Mitverantwortliche: Dr. Christian Brandl; Dr. Michael Feuerbacher; Professor Dr. Jens Freudenberger; Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr; Dr. Markus Heidelmann; Professorin Dr. Ruth Schwaiger; Dr.-Ing. Michael Stüber
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sharvan Kumar; Professor Tibor Kvackaj; Professor Dr. V. Subramanya Sarma