MD-Simulation zur Festigkeitserhöhung durch Graphen in Eisenkristallen

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Roth, seit 4/2023
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427509047

In Eisenlegierungen spielt die Erhöhung der Festigkeit durch die Mischkristall-, Teilchen-, und Korngrenzenverfestigung eine herausragende Rolle für die technische Anwendung der Werkstoffe. In diesem Projekt wird der Einfluss von in die Eisenmatrix eingebauten nanoskaligen Graphenscheibchen bzw. von gelöstem Kohlenstoff auf die mechanischen Eigenschaften mit Hilfe von ab-initio- und Molekulardynamik(MD)-Simulationen untersucht. Durch die Zugabe von Graphenscheibchen wird eine Verbesserung mehrerer mechanischer Eigenschaften erwartet. Hierbei sind insbesondere die thermische Stabilität der Graphenscheibchen sowie die Eigenschaften Elastizität, Festigkeit und Plastizität desEisen/Graphen-Verbundwerkstoffs von Bedeutung. Zur Abschätzung der thermischen Stabilität der Graphenscheibchen werden ab-initio-Simulationen durchgeführt, die auch für eine Verbesserung der interatomaren Potenziale für die MD-Simulationen verwendet werden. Danach werden Molekulardynamik-Simulationen jeweils für Ein- und für Polykristalle für unterschiedliche Temperaturen, Kohlenstoff- bzw. Graphenkonzentrationen, Größe sowie Abstände und Orientierungen der Graphenscheibchen durchgeführt. Die Ziele der Berechnungen sind grundlegende Erkenntnisse zu Versetzung/Partikel-Interaktionen, Spannungsfeldern, den durch die legierten Kohlenstoffatome bzw. Graphenscheibchen verursachten Eigenspannungen im Kristallgitter sowie der damit verbundenen Änderung der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien. Hiermit wird erstmalig mittels MD-Simulationen untersucht, ob und inwieweit sich die Eigenschaften von Eisenwerkstoffen durch Zugabe von Graphenscheibchen in die erwünschte Richtung maximale Festigkeit bei maximaler Elastizität bzw. höchstmöglicher plastischer Verformbarkeit (Duktilität und Bruchdehnung) verbessern lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder, bis 3/2023