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Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign

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Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign

Die Forschung in der Abteilung 'Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign' widmet sich den Zusammenhängen zwischen Herstellung, Mikrostruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften von nanostrukturierten Werkstoffen. Der Schwerpunkt liegt auf metallischen Legierungen wie Stahl und Superlegierungen, den magnesium-, titan- und aluminium-basierten Werkstoffen, den Heussler Phasen, sowie den High Entropy Alloys. Aber auch die Verbundwerkstoffe, halbmetallische Thermoelektrika und Solarzellen-Halbleiter werden erforscht. Um die Mikrostrukturen und Materialeigenschaften eingehend zu untersuchen, werden Simulationen und Charakterisierungsmethoden von der makroskopischen Skala bis hin zur atomaren Ebene eingesetzt.  

Wissenschaftliche Ausrichtung und Abteilungsstruktur

Wir arbeiten daran die Zusammenhänge zwischen Herstellung, Verarbeitung, Mikrostruktur und Materialeigenschaften von komplexen metallischen Legierungen mit vielschichtiger Zusammensetzung und Struktur zu verstehen. Hierzu gehören Stahl, Magnesium, Aluminium, Superlegierungen, Titan und High Entropy Alloys. Der Schwerpunkt liegt auf den Phasenumwandlungen, der Bildung metastabiler Phasen, der Mikromechanik und komplexen Defektstrukturen und ihrem Einfluss auf die Materialeigenschaften.

Wir verfolgen diese Ziele durch Entwicklung und Anwendung neuester Charakterisierungsmethoden von der atomaren  bis hin zur makroskopischen Ebene. Beispiele sind die chemisch sensitive Feldionen Mikroskopie (FIM), bei der Atomsondentomografie (APT), FIM und maschinelles Lernen kombiniert zum Einsatz kommen. Weitere Beispiele wären die korrelierte Anwendung von APT und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Electron Channeling Contrast Imaging unter kontrollierten Beugungsbedingungen (cECCI),   3D-Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und cross-korelliertes EBSD, in-situ mikromechanische Experimente in Verbindung mit Wasserstoffbeladung und die kombinatorische Hochdurchsatzmetallurgie mit anschließender systematischer Werkstoffprüfung.
Einige dieser Techniken werden in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von G. Dehm, C. Scheu, M. Rohwerder, R. Dunin-Borkowski (Ernst-Ruska-Center in Jülich), J. Schneider (RWTH Aachen) und G. Eggeler (RU Bochum) entwickelt und durchgeführt.

Wir konzipieren Experimente auf der Basis theoretischer Leitlinien und führen sie unter genau kontrollierten Randbedingungen durch. Zum Beispiel arbeiten wir zum besseren Verständnis und Quantifizierung unserer atomaren Messmethoden APT und FIM mit der Gruppe von J. Neugebauer auf dem Gebiet der Simulation von Feldverdampfung und Bildgasionisation, sowie bei der Verwendung des maschinellen Lernens zur kristallographischen Mustererkennung in APT-Datensätzen, zusammen. In Bezug auf Thermodynamik und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen arbeiten wir auch mit hauseigenen ab-initio-Experten zusammen, zum Beispiel bei Phasengleichgewichten für bulk- und confined states und der Thermodynamik von Legierungen mit hoher Entropie. Für konstitutive Simulationen haben wir unser internes modulares Freeware-Simulationspaket DAMASK (Düsseldorf Advanced Material Simulation Kit) weiterentwickelt. Es handelt sich hierbei um ein hierarchisch strukturiertes Modell zur Lösung elastoplastischer Randwertprobleme, welches auch Schädigung und thermische Effekte berücksichtigt.

Ein Beispiel, bei dem sich viele dieser Interessensgebiete in der Abteilung überschneiden, ist das Zusammenspiel von lokaler chemischer Zusammensetzung und der Phasenmetastabilität bzw. -transformationen, wie z.B. im Fall von seigerungs-dekorierten Gitterfehlern. Atomar auflösende korrelative Untersuchungen und die thermodynamische Theorie zeigen, dass in vielen Legierungen die Seigerung zu Gitterfehlern ein allgegenwärtiges Phänomen ist, welches jedoch typischerweise während des Anlassens entsteht, anstatt gezielt eingestellt zu werden. Dies hat uns motiviert, systematische "Segregation Engineering" -Experimente durchzuführen und daraus entsprechende Legierungsdesign- und -verarbeitungsstrategien zu entwickeln, bei denen wir Gibbs- und Fowler-Guggenheim-artige Verzierungen von Gitterfehlern verwenden, um diese Regionen in chemische Strukturelemente zu verwandeln, die vorteilhafte mechanische und funktionale Verhalten mit sich bringen. Diese ortsspezifische Manipulation von begrenzten Defektbereichen durch chemische Dekoration hat es uns beispielsweise ermöglicht, Gitterdefekte durch lokale Phasentransformation hinsichtlich verbesserter Kohäsion, Bruchzähigkeit und dem Einschließen von Verunreinigungen zu optimieren. Durch diese Arbeiten wurden zahlreiche thermodynamische Phänomene entdeckt, wie z.B. die zusammensetzungsgetriebene Phasenumwandlung von Versetzungskernen, und die Bildung von eindimensionalen Complexions, spinodale Entmischungsvorgänge an Korngrenzen und –versetzungen, sowie örtlich begrenzte Vorläuferphasen, die der Nukleation vorangehen. Mit diesen Ansätzen und Themen führen wir Materialtechnik bis zur atomaren Skala durch, Abb. 1.

Abb. 1: Forschungsansatz, Interessen und entsprechende langfristige Methodenentwicklung in der Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign Bild vergrößern
Abb. 1: Forschungsansatz, Interessen und entsprechende langfristige Methodenentwicklung in der Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign
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Abb. 2: Forschungsgruppen der Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign. Die oberen 5 Gruppen (fett) sind permanent finanziert. Die untersten fünf Gruppen sind temporäre Initiativen, die durch Zuschüsse finanziert werden. Bild vergrößern
Abb. 2: Forschungsgruppen der Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign. Die oberen 5 Gruppen (fett) sind permanent finanziert. Die untersten fünf Gruppen sind temporäre Initiativen, die durch Zuschüsse finanziert werden.
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Research Groups

Die Abteilung setzt sich aus Forschungsgruppen zusammen, von denen einige extern finanziert und daher nicht dauerhaft sind, Abb. 2.

 
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