Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen in einphasigen fcc und bcc high entropy Legierungen unter einer tribologischen Belastung

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Greiner; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409484397

Die Tribologie, die Lehre von Reibung und Verschleiß, ist von herausragender Bedeutung, da die Lebensdauer und der Energieverbrauch vieler Komponenten und Systeme durch tribologische Kontakte bestimmt werden. Für Materialwissenschaftler sind tribologische Kontakte ein extrem interessantes Feld, da sehr viele der auftretenden Vorgänge erst phänomenologisch beschrieben sind. Dies gilt insbesondere für high entropy alloys (HEAs), welche als neue Klasse metallischer Legierungen herausragende tribologische Eigenschaften versprechen. Für diese Materialien sind tribologisch induzierte Änderungen in der Mikrostruktur und die Elementarmechanismen für diese Vorgänge nur kaum erforscht. Zu den möglichen auftretenden Mechanismen zählen Versetzungsbewegung, Zwillingsbildung, Scherbänder, Oxidation und mechanisches Vermischen. Dieses unvollständige Bild hat zur Folge, dass für HEAs noch keine Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelation unter tribologischer Belastungen existiert. Durch die komplementären Kompetenzen der Arbeitsgruppen von Prof. Heilmaier (Legierungsentwicklung) und von Dr. Greiner (Materialtribologie), werden wir den folgenden drei Leitfragen folgen: (A) Gibt es eine Korrelation zwischen der initialen Mikrostruktur und den Reib- und Verschleißeigenschaften? (B) Sind die verantwortlichen Elementarmechanismen unter tribologischer Belastung mit den Deformationsmechanismen, welche unter einer uniaxialen, monotonen Last auftreten, korreliert? (C) Können diese Charakteristika im Licht von HEA-spezifischen Eigenschaften verstanden werden? Wir folgen hierbei einem dezidiert materialwissenschaftlichen und keinem klassisch tribologischen Ansatz, da wir uns nicht für die Eigenschaften des gesamten tribologischen Systems interessieren, sondern für die im Material ablaufenden Prozesse. Unsere Untersuchung wird mit CoCrFeMnNi, einem der am besten charakterisierten kubisch-raumzentrierten HEAs beginnen. Durch eine systematische Erhöhung des Reibwegs und mittels fokussierter Ionenstrahl- und Raster- sowie Transmissionselektronenmikroskopie werden wir die Elementarmechanismen der Mikrostrukturveränderung unter einer tribologischen Belastung sowie deren zeitliche Abfolge offen legen. CoCrFeMnNi wird es uns erlauben diese Elementarmechanismen mit denen, in der Literatur bekannten, für einachsigen Zug und Druck zu vergleichen. Ein weiterer Vergleich zum Verhalten von reinen Metallen und von niedriglegierten Mischkristallen, wird es ermöglichen herauszuarbeiten, welche der beobachteten Eigenschaften und Mechanismen HEA-spezifisch sind. Da auch die Kristallstruktur der eingesetzten Legierung einen entscheidenden Einfluss auf das Materialverhalten hat, wird im letzten Jahr der beantragen Förderung damit begonnen den kubisch-flächenzentrierten HEA HfNbTaTiZr zu untersuchen. Die Beantwortung oben genannter Fragen sollte es erlauben, Richtlinien für die Zusammensetzung und die Ausgangsmikrostruktur für signifikant verbesserte tribologische Eigenschaften zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen