Einfluss der thermischen Aktivierung und der Schwingungsdynamik von Versetzungen auf die thermodynamische Versetzungstheorie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Yinguang Piao
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447038308

Metallverarbeitung wird vom Menschen seit mehr als 5000 Jahren seit der Bronzezeit betrieben. Plastisch verformte Metalle besitzen vorteilhafte Eigenschaften wie erhöhte Festigkeit und bleibende Formbarkeit, die sie zur Verwendung als Werkzeuge und Waffen geeignet machen. Versetzungen als Liniendefekte sind die hauptsächlichen Träger der plastischen Verformung in Kristallen und die Bewegung, Wechselwirkung und Auslöschung der Versetzung beeinflussen besonders das mechanische. Trotz der langen Geschichte der empirischen Verarbeitungstechnologie von Metallen und 70 Jahren seit der Beobachtung von Versetzungen fehlen uns noch grundlegende Theorien zur Entwicklung von Versetzungsunterstrukturen und ihrer Beziehung zu Verfestigungsprozessen. In letzter Zeit wird die Entropie von Versetzungs-Mikrostrukturen in die Materialmodellierung einbezogen, von der angenommen wird, dass sie diesen „Mangel an Wissen“ kompensiert.2010 haben Langer, Bouchbinder und Lookman eine thermodynamische Versetzungstheorie vorgeschlagen, die die Entropie von Versetzungen beinhaltet. Unter Verwendung dieser Theorie mit einer Reihe von wenigen physikalischen Parametern wurden die zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Kurven bei der ebenen Dehnungskompression von Kupfer, Aluminium und Stahl abhängig von Dehnungsrate und von Raumtemperatur bis zur Hälfte des Schmelzpunkts simuliert und ergaben quantitative Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen, die die Nützlichkeit der Theorie bestätigten. Zusätzlich zu den Anwendungen auf der Makroebene wurde ein Versuch unternommen, Mikrostrukturen und damit verbundene mechanische Reaktionen zu untersuchen, indem übermäßige Versetzungen eingeführt wurden und die kinematische Kaltumformung, der Bauschinger-Effekt und der Größeneffekt auf der Grundlage des physikalischen Bewegungsmechanismus übermäßiger Versetzungen konnten dadurch erklärt werden.Die Thermodynamische Versetzungstheorie muss noch Ansätze entwickeln, um die Hierarchie der Materialstrukturen zu berücksichtigen, beispielsweise die Wechselwirkungen von Versetzungen mit anderen Materialdefekten, z.B. Leerstellen, Korngrenzen, Niederschläge. Da in der Theorie nur der Depinning-Mechanismus, der ein Steuerungsmerkmal der Versetzung-Versetzung-Wechselwirkung ist, verwendet wird, kann er in einphasigen Metallen ausreichend sein, in anderen jedoch unzureichend. Für das Ausfällen von mehrphasig verstärkten Legierungen in der Praxis spielt die thermisch aktivierte Umgehung von Barrieren aufgrund der Schwingung des Versetzungssystems eine wichtige Rolle. Das Hauptziel meines Projekts ist es daher, eine Erweiterung der thermodynamischen Versetzungstheorie für die durch Ausfällung induzierte Verfestigung zu entwickeln. Zwei Ziele sind von vorrangigem Interesse: (i) Einbeziehung des Effekts der thermischen Schwingung von Versetzungslinien in die Theorie und (ii) Einbeziehung des Versetzungs-Bypass-Mechanismus.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Gastgeber: Professor Dr. Michael J S Lowe; Professor David L. McDowell, Ph.D.