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Über Defekte

19. September 2018 Strukturveränderungen in Materialien

In den Ingenieurwissenschaften ist Schaden nicht gleich Schaden. Vor allem aber ist Defekt nicht gleich Defekt. Manche Veränderungen in der Struktur von Materialien sind sogar hoch erwünscht. Denn mit ihnen lassen sich Eigenschaften verändern, die für die Plastizität oder die Widerstandskraft, aber auch für die Optik oder elektrische Leitfähigkeit etwa von Oberflächen günstig sind.

Versetzungsmuster innerhalb einer Querschnittsfläche eines 3-D-Kristalls, die im DFG-Projekt „Physikalische Modellierung und Simulation der Ermüdungseigenschaften von metallischen Dünnschicht-Systemen und feinkörnigen oberflächennahen Mikrostrukturen

Dies gilt zum Beispiel für sogenannte Versetzungen: oftmals kilometerlange linienartige Defekte im Mikro- oder Nanobereich, wie sie in der Kristallstruktur von Halbleitern oder Metallen vorkommen – oder eben auch erzeugt werden können. Sie sind für die plastische Verformbarkeit dieser Materialien verantwortlich und deshalb nicht zuletzt für den Automobilbau, die Luft- und Raumfahrt sowie die Halbleiterindustrie von großem Interesse.Im Rahmen des EU-Forschungsnetzwerks M-ERA.NET beschäftigt sich Stefan Sandfeld von der TU Bergakademie Freiberg gemeinsam mit Ruth Schwaiger vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie mehreren Kolleginnen und Kollegen in Belgien und Frankreich seit einigen Jahren mit derartigen Versetzungen in Metallen. In ihrem bis 2017 von der DFG geförderten Projekt „Physikalische Modellierung und Simulation der Ermüdungseigenschaften von metallischen Dünnschicht-Systemen und feinkörnigen oberflächennahen Mikrostrukturen (FASS)“ ging es dabei vor allem darum, wie derartige Defekte im Material bei Beanspruchung die Lebensdauer beeinflussen. Um das Design struktureller und funktionaler Materialien weiter zu optimieren, also etwa die Dauerfestigkeit von Oberflächen durch mechanische Behandlung deutlich zu verbessern oder auch Schädigungen zu vermeiden, sind Erkenntnisse in diesem Bereich ein wichtiger Schritt.

„In FASS haben wir vor allem versucht, auf verschiedenen Längenskalen eine Brücke zwischen Experiment und Simulation zu schlagen, um plastische Verformung entweder vorherzusagen oder steuern zu können“, gibt Sandfeld an. Dabei ging es im Wesentlichen darum, die mit zyklischen Druckbelastungen von metallischen Mikrometersäulen im Experiment gewonnenen Erkenntnisse mit Simulationen modellhaft zu korrelieren.

Seit fast einem Jahrhundert versucht die Materialwissenschaft zu verstehen, aus welchem Grund sich die dynamisch miteinander wechselwirkenden Versetzungen so verhalten, wie sie es tun. „Aber bisher gibt es noch keine Methode, um die Informatio­nen aus unterschiedlichen Mikro­skopie- und Simulationsverfahren zu vergleichen und mittels Big Data statistisch zu analysieren.“ Mit FASS ist Sandfeld diesem Ziel bereits viel näher gekommen: vor allem, was die detaillierte Abbildung und das Verständnis der Mikrostruktur-Eigenschaft-Beziehung angeht, aber auch beim Problem, wie sich Versetzungen in der Mikrostruktur digitalisieren lassen. „Ansonsten hat FASS aber möglicherweise mehr Fragen aufgeworfen als Antworten gegeben“, räumt Sandfeld ein. Deshalb hat er 2017 einen ERC Starting Grant in Höhe von
1,5 Millionen Euro eingeworben, der die Geschichte von FASS unter anderer Fokussierung in gewissem Sinne weiterschreibt.

„FASS ist eine Art Initialzündung gewesen, um möglichst viele Anstrengungen in Richtung Digitalisierung zu unternehmen“, erläutert Sandfeld. Geplant ist, eine „universelle ‚Sprache‘ für Versetzungsmikrostrukturen“ zu entwickeln, „die in Analogie zum MP3-Format auf statistischen Methoden zur Datenkomprimierung beruht“. Und eine offen zugängliche Datenbank zu Verformungstypen, in die Erkenntnisse nicht nur aus FASS einfließen sollen, „sondern auch aus anderen DFG-Projekten, an denen ich beteiligt war.“

Die von der DFG auch 2017 in vielen Bereichen der Ingenieurwissenschaften angestoßene Internationalisierung der Forschung geht also auch für Stefan Sandfeld im Bereich des Digitalen weiter.

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