Simulierte Metalle
Computermodell zeigt Zusammenhänge zwischen Festigkeit und atomarer Struktur.
In Metallen können Unregelmäßigkeiten im ansonsten ganz regelmäßigen Kristallgitter auftreten. Sie entstehen zum Beispiel durch Krafteinwirkung von außen. Mit einer Reihe aufwendiger Computersimulationen konnten Forscher der Technischen Universität Darmstadt und des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien studieren, wie sich diese Liniendefekte in Metallen vermehren und unter welchen Bedingungen sie auf sie wirkende mechanische Verformungskräfte nicht mehr genügend abbauen können. Dabei kommt dann ein neuer Mechanismus der Zwillingsbildung ins Spiel, bei der die Ausrichtung des Kristallgitters umorientiert wird.
Abb.: Simulationsmodell eines verformten Tantalkristalls: Ausgehend von den einzelnen Atomen (gelb) hat ein Algorithmus die Form der Versetzungsdefekte (grüne Linien) und Zwillingsgrenzen (graue Flächen) ermittelt. (Bild: A. Stukowski)
Festigkeit und Verformbarkeit eines Metalls, wie beispielsweise des in der Studie betrachteten Tantals, werden entscheidend durch Liniendefekte im kristallinen Aufbau auf der atomaren Ebene bestimmt. Diese Versetzungen sind für das Abgleiten der regelmäßig angeordneten Atomlagen in der Kristallstruktur verantwortlich, das bei plastischer Verformung des Werkstoffs auftritt. Die Theorie der Versetzungen wurde in den 1930er Jahren entwickelt. Seitdem hat sich die Forschung vor allem der Wechselwirkung dieser linienförmigen Kristallfehler gewidmet, da sie eine wichtige Rolle für die Verfestigung von Metallen spielt. Hierbei nimmt die Festigkeit des Materials durch die fortlaufende Verformung zu. Dieser Effekt wird beispielsweise von einem Schmied ausgenutzt, der ein Metall mit Hammer und Amboss bearbeitet.
„Wir sagen mit unserem Computermodell vorher, dass der Kristall letztendlich einen stationären Zustand einnehmen und in ihm unbegrenzt verweilen kann, nachdem er seine maximale Festigkeit erreicht hat“, sagt Alexander Stukowski. „Bereits vor Jahrtausenden wussten Schmiede intuitiv, dass sie die mechanischen Eigenschaften von Metallteilen durch das wiederholte Bearbeiten mit dem Hammer von verschiedenen Seiten deutlich verbessern können. Genau solch ein Kneten des Metalls stellen wir in unserer atomar aufgelösten Simulation nach.“
Bislang galten die dabei relevanten Zeit- und Längenskalen als unüberwindbares Hindernis: Ein Kubikmikrometer Metall besteht typischerweise aus 60 Milliarden Atomen. Die Wissenschaftler können – aufbauend auf den neuen Ergebnissen – berechnen, wie die Atome untereinander wechselwirken und die Bewegungsbahn jedes einzelnen Atoms über viele Millionen Zeitschritte hinweg verfolgen. Aufgrund der riesigen Datenmenge und des notwendigen Rechenaufwands waren solch detaillierte numerische Simulationen für die Vorhersage der Metallfestigkeit bisher nicht möglich. Wie das Forscherteam jetzt zeigte, sind solche atomistischen Simulationen nun machbar – und sie können eine Fülle von Beobachtungen zu den mikroskopischen Prozessen liefern, die für das dynamische Verformungsverhalten metallischer Werkstoffe von fundamentaler Bedeutung sind.
„Wir können in unserer Metallsimulation das Kristallgitter und die vielen Atome, aus denen es sich zusammensetzt, mit allen Details sehen und die Veränderung während der einzelnen Verformungsphasen studieren“, sagt Stukowski. „Die große Zahl der Atome und die Komplexität der dreidimensionalen Versetzungsstrukturen überfordern jedoch selbst ein geschultes Auge bei weitem. In unserer Forschungsgruppe in Darmstadt haben wir daher präzise Analysemethoden und Computeralgorithmen entwickelt, die Kristallfehler automatisch klassifizieren, herausfiltern und sichtbar machen können.“
Erst der Einsatz leistungsfähiger Supercomputer macht entsprechende Simulationen möglich, in denen die Bewegungsbahnen vieler Millionen oder Milliarden einzelner Atome berechnet und damit das Festigkeitsverhalten eines metallischen Werkstoffs unter schneller Verformung vorhergesagt werden kann. Die Forscher setzten für ihre Studie Großrechner der höchsten Leistungsklasse am Lawrence Livermore National Laboratory und am Helmholtz-Forschungszentrum Jülich ein. Das Verfahren ermögliche nun einen ganz neuen Zugang zum Forschungsgegenstand, sagt Stukowski und zitiert den Physiker Colin Humphreys: „Kristalle sind wie Menschen. Es sind ihre Fehler, die sie interessant machen.“
TU Darmstadt / JOL
