Institut für Metallkunde und Materialphysik

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Das Institut für Metallkunde und Materialphysik befasst sich mit den Eigenschaften metallischer Werkstoffe und deren physikalischen Ursachen. Die speziellen Eigenschaften moderner metallischer Werkstoffe (z.B. Festigkeit, Duktilität, Lebensdauer) werden weniger durch ihre chemische Zusammensetzung als vielmehr durch ihre Mikrostruktur und kristallographische Textur bestimmt. Daher konzentriert sich das Institut auf die Analyse, Modellierung und Steuerung von Mikrostrukturen in metallischen Werkstoffen. Die engen Verbindungen zur Industrie schlagen die Brücke von der Grundlagenforschung zur nutzbaren optimierten Anwendung.

Forschungsschwerpunkte

A) Textur

Unter der Textur eines Materials versteht man die Gesamtheit aller Orientierungen der einzelnen Kristallite. Die Textur hat einen wesentlichen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften eines Werkstoffes und ist daher von besonderer Bedeutung. Während bei der plastischen Formgebung eine regellose Textur gewünscht ist, so ist eine ausgeprägte Textur in anderen Anwendungen erforderlich, wie z.B. in Stahlblechen für Transformatorkerne, in Nickel-Substraten für Hochtemperatursupraleiter und in Aluminium-Folien für elektrische Kondensatoren. Für die experimentelle Untersuchung der Textur steht am IMM ein modernes Texturgoniometer zur Verfügung, womit sich seit kurzem auch in-situ Experimente zur Untersuchung von Umwandlungsvorgängen während der Wärmebehandlung durchführen lassen. Auf die Art und Weise werden Vorgänge der Rekristallisation und Phasenumwandlungen untersucht, was in Kombination mit der Modellierung dieser Prozesse zu einem tieferen Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen führt.

Die zur Verfügung stehenden Simulationsverfahren werden anhand von experimentellen Daten immer weiter verfeinert und mit anderen Modellen verknüpft. Dies ermöglicht schließlich die Simulation der Texturentwicklung entlang der gesamten Prozesskette eines Werkstoffes.

B) Grenzflächendynamik

Als Korngrenze bezeichnet man die makroskopische Grenzfläche zwischen unterschiedlich orientierten Kristalliten (Körnern) gleicher Phase. Die Bewegung solcher Korngrenzen spielt eine wichtige Rolle für verschiedene Eigenschaften eines polykristallinen metallischen Werkstoffs. Am IMM beschäftigt sich die Gruppe Grenzflächendynamik mit der hauptsächlich experimentellen Untersuchung der Korngrenzenbewegung in unterschiedlichen Metallen. Die gewonnenen Daten bilden außerdem die Grundlage zum Verständnis der Bewegung von Korngrenzen während der Mikrostrukturentwicklung und damit auch zur Erklärung wichtiger Eigenschaften metallischer Werkstoffe. Neben der Untersuchung einzelner Korngrenzen werden in der Arbeitsgruppe außerdem schon seit mehreren Jahren die Eigenschaften von Korngrenzen-Tripelpunkten bzw. Tripellinien, also den Bereichen, an denen sich drei Grenzflächen des Kristalls berühren, untersucht.

Durch den Bedarf an speziellen Bi- und Trikristallen für die durchgeführten Untersuchungen wurde über die Jahre ein Bestand an unterschiedlichen Methoden und Anlagen zur Zucht von Kristallen mit genau definierter Orientierung entwickelt. Dies hat zu einer großen Anzahl von Kooperationen mit internationalen Forschungsgruppen geführt, die am IMM gezüchtete Kristalle für ihre Untersuchungen verwenden. Zur experimentellen Untersuchung der Korngrenzenbewegung stehen neben den allgemein am IMM genutzten Geräten eine Reihe selbst entwickelter Messapparaturen zu Verfügung, wie beispielsweise eine Anlage zur automatischen Bestimmung der Geschwindigkeit einer sich bewegenden Korngrenze.

C) Simulation

In der Arbeitsgruppe Simulation werden experimentell am IMM untersuchte Phänomene der Mikrostrukturentwicklung und der daraus resultierenden Materialeigenschaften durch Computersimulationen begleitet. Dabei werden diverse physikalische Vorgänge bei plastischer Verformung, Erholung, Rekristallisation, Kornwachstum und Partikelausscheidung auf sehr unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen untersucht. Es werden neue Modelle und Simulationsprogramme entwickelt, meist auf Basis eigener Codes. Häufig wird auf bekannte Methoden wie die Molekulardynamik, Monte-Carlo, Versetzungsdynamik, Vertex-Modelle, oder Zelluläre Automaten zurückgegriffen. In manchen Fällen sind die Methoden aber auch weltweit einzigartig, wie z.B. das Verformungstextur-Modell "GIA", das zuletzt zur Anwendung für hexagonale Kristalle und insbesondere die Zwillingsbildung erweitert wurde. Ein weiteres originäres Simulationsmodell des IMM ist das statistische Ausscheidungsmodell "ClaNG", mit dem Bildung, Wachstum und Auflösung von Partikeln sekundärer Phasen in Aluminiumlegierungen vorhergesagt werden. Weitere Software umfasst die Entwicklung von einem Mobilitätsmodell für Korngrenzen auf der Basis von Molekulardynamik. Für die Simulation der Auswirkungen der Keimbildung auf die Rekristallisationstextur und -kinetik in Aluminiumlegierungen mittels des Zellulären Automaten existiert das eigenständige und leistungsfähige "CORe"-Programm.

Einen Schwerpunkt der Arbeitsgruppe bildet auch die Simulation von Gesamtprozessen der Produktion von Aluminiumblechen. Eine Schwierigkeit dabei besteht darin, dass Erholung, Rekristallisation und Partikelwachstum in Glühungen und auch während der Umformung gleichzeitig ablaufen und sich dabei gegenseitig beeinflussen. Hinzu kommt, dass ein Industrieprozess wie ein mehrstufiges Warmwalzen nicht einfach unterbrochen werden kann, um durch Charakterisierung der Mikrostruktur die relevanten Vorgänge zu ermitteln.

D) Nanostrukturen

Werkstoffe mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 100 Nanometer bis 1Mikrometer werden als ultrafeinkörnige Materialien bezeichnet, solche mit einer mittleren Korngröße bis 100 Nanometer als nanokristalline Werkstoffe. Das Besondere dieser Werkstoffe ist, dass sie eine hohe Festigkeit aufweisen und dabei gleichzeitig eine hohe Duktilität besitzen, was sie sehr interessant für industrielle Zwecke macht, bei denen hochfeste und zähe massive Bauteile benötigt werden.

Am IMM haben sich innerhalb der zugehörigen Forschungsgruppe Nanostrukturen speziell zwei Richtungen ausgebildet. Zum einen werden nanokristalline und ultrafeinkörnige Aluminiumlegierungen, hergestellt durch starke plastische Verformung (severe plastic deformation, SPD), untersucht. Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt auf dem Bereich der Einflüsse der feinen Sekundärenteilchen und gelösten Elementen auf die Mikrostrukturentwicklung während SPD und auf den mechanischen Eigenschaften, wie Verformungsverfestigung, Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit und dynamische Reckalterung nach SPD. Zweck der Untersuchungen ist es, Wege zu finden, die Duktilität der ultrafeinkörnigen Werkstoffe zu verbessern und gleichzeitig die hohe Festigkeit, die durch das SPD erreicht wird, zu erhalten.

Zum anderen werden NiAl-Verbundwerkstoffe erforscht, die von refrektären metallischen (Mo, Cr) Fasern oder Lamellen verstärkt und durch genau kontrollierte gerichtete Erstarrung in-situ hergestellt werden. Diese Materialien werden für die Herstellung einer neuen Generation von Gasturbinenschaufeln entwickelt, die bei Temperaturen von über 1000°C verwendet werden sollen. Der wichtigste Punkt dieser Untersuchungen ist der Zusammenhang zwischen den Herstellungsprozessparametern, den Mikrostrukturen, mechanischen/thermischen Eigenschaften sowie dem Verhalten der Kristallite in den Werkstoffen. Mit den Untersuchungen soll schließlich eine technische Datenbank für eine zukünftige Industrieproduktion der Schaufel mit den entwickelten Werkstoffen erstellt werden.

Geforscht wird mithilfe von Elektronenmikroskopie und diversen mechanischen Prüfmaschinen, Methoden der starken plastischen Verformung und der Herstellung von Verbundwerkstoffen mittelsHeißpressen sowie verschiedenen Wärmebehandlungsmethoden.

E) Parallele Modelle

Die Computersimulation von Werkstoffeigenschaften und Fertigungsverfahren hat in den letzten Jahren einen beträchtlichen Aufschwung erfahren, weil man sich davon einerseits ein tieferes Verständnis wissenschaftlich-technischer Phänomene erhofft und anderseits erhebliches Potenzial für die schnellere und kostengünstigere Werkstoffentwicklung sieht. Bestehende Simulationsmethoden eignen sich ideal für konventionelle Computerarchitekturen, die üblicherweise auf einen zentralen Prozessor zugeschnitten werden. Dennoch richtet sich die Zukunft des digitalen Rechnens auf die neue parallele Computerarchitektur aus. Das Ziel der Forschungsgruppe "Hoch parallelisierbare Werkstoffsimulation" ist die Entwicklung von Werkstoffmodellen, die sich für massive parallele Rechnerarchitektur eignen. Dabei sollen diese Modelle in der Lage sein, sich realistischeren Zeit- und Größenskalen anzunähern. Derzeitiger Schwerpunkt ist die Entwicklung von Modellen für die Simulation der Verformungstextur unter Berücksichtigung von Korn-Korn-Wechselwirkungen, der Gefügeentwicklung bei der Rekristallisation und der Verfestigung metallischer Werkstoffe.

F) Magnesium

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Magnesiumlegierungen aufgrund ihrer geringen Dichte und der zunehmenden Bedeutung des Leichtbaus ein starkes Interesse hervorgerufen. Für die Nutzung von Magnesiumbauteilen in sicherheitsrelevanten Bereichen werden zurzeit verstärkt Knetlegierungen entwickelt, die sich aufgrund ihrer feinkörnigen Mikrostruktur durch hohe Festigkeit und Duktilität auszeichnen. In der industriellen Praxis werden Magnesiumknetlegierungen derzeit hauptsächlich für die Herstellung von Strangpressprofilen eingesetzt. Die Produktion von Magnesiumblechen hat sich industriell noch nicht richtig etabliert.

Dafür muss die Kaltumformbarkeit von Magnesium und seinen Legierungen verbessert werden. Genau an diesem Punkt setzt die Magnesiumgruppe am IMM an. Sie untersuch die Gefüge- und Texturentwicklung verschiedener Magnesiumlegierungen während der Verformung, der Rekristallisation und des Kornwachstums, um Rückschlüsse auf potentielle Eingriffsmöglichkeiten in den Herstellungsprozess von Magnesiumprodukten ziehen zu können.