Modellierung & Simulation

Die Materialmodellierungsgruppe unter der Leitung von Prof. Erik Bitzek erforscht die elementaren Defekte des kristallinen Gitters (Versetzungen, Risse, Grenzflächen, Leerstellen) und wie die Ordnung und Wechselwirkung dieser Defekte die mechanischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen beeinflussen. Die Arbeit der Gruppe umfasst zudem die Modellierung der mechanischen Eigenschaften von amorphen Systemen, wie Siliziumdioxid und metallischen Gläsern. In jedem der genannten Aufgabenfeldern werden atomistische Simulationen und Dichte-Funktional-Rechnungen angewendet, um detaillierte Informationen über Defekteigenschaften und Mechanismen zu erhalten, die zu Verformung und Versagen führen.

Der Forschungsschwerpunkt liegt darin, sowohl qualitative Einblicke als auch quantitative Informationen über die Deformationsprozesse auf der atomaren Skala zu erhalten. Diese Erkenntnisse helfen nicht nur dabei experimentelle Ergebnisse besser zu verstehen und zu interpretieren, sondern auch bei der Entwicklung robuster und zuverlässiger Modelle zur Vorhersage des Verformungsverhaltens von Materialien. Erkenntnisse aus atomistischen Simulationen werden in der Gruppe genutzt, um Multiskalenmodelle wie Kristallplastizitätsgerüste mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Fast-Fourier-Transformations-Methode (FFT) zu entwickeln. Diese Modelle überbrücken verschiedene Längenskalen und erleichtern die Simulation komplexer Umformprozesse.

Die Materialmodellierungsgruppe arbeitet eng mit dem Institut für Werkstoffsimulation (WW8) bei der Multiskalenmodellierung und mit dem Computer Chemistry Center (CCC) in Bezug auf die Dichtefunktionalrechnungen zusammen. Sie ist außerdem Teil des Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials (EAM) und des Zentralinstituts für Wissenschaftliches Rechnen (ZISC).

Andere Beteiligungen der Forschungsgruppe sind der Sonderforschungsbereich SFB/Transregio 103 „From Atoms to Turbine Blades“, das Schwerpunktprogramm SPP1594 „Topological Engineering of Ultrastrong Glasses“ und „SPP1466 Life“ sowie am Graduiertenkolleg 1869 „In-Situ Microscopy with Electrons, X-rays and Scanning Probes“. Darüber hinaus partizipiert die Gruppe am EU-Projekt iSTRESS und am Forschungsnetzwerk „Mechanics of Nano-objects MECANO“. Erik Bitzek wurde außerdem kürzlich mit einem ERC Consolidator Grant für sein Projekt „Microscopic Origins of Fracture Toughness“ (microKIc) ausgezeichnet.

Prof. Dr.-Ing. Erik Bitzek

Gruppenleiter Modellierung & Simulation

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Dr.-Ing. Duancheng Ma

Gruppenleiter Modellierung & Simulation

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Achraf Atila, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Polina Baranova, Dipl.-Spec.

Doktorandin

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Benedikt Eggle-Sievers, M.Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Saba Khadivianazar, M. Sc.

Doktorandin

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Tarakeshwar Lakshmipathy, M. Sc.

Doktorand

FAU Kompetenzzentren
Competence Unit for Scientific Computing (CSC)

Amorphe, anorganische Materialien können extrem hohe Festigkeiten aufweisen, leiden aber in der Regel unter sehr begrenzter Bruchzähigkeit. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach ultrastarken, schadensresistenten Gläsern gestiegen. Eine signifikante Erhöhung der Zähigkeit für neue glasartige Materialien wird jedoch nur mit einem neuen Maß an konzeptionellem Verständnis der zugrundeliegenden Verformungsmechanismen und ihrer Beziehung zur lokalen Struktur und Netzwerktopologie möglich sein.
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Die Erforschung des Materialversagens und dessen Zusammenhang mit der Mikrostruktur eines Materials steht im Mittelpunkt der Materialwissenschaften. Ob eine beanspruchte Komponente spröde oder duktil bricht, wird durch die Fähigkeit der Materialien bestimmt, elastische Energie in plastische Arbeit umzuwandeln. Die plastische Energie-Dissipation während dem Bruch wird durch die Erzeugung und Bewegung von Versetzungen am Riss bestimmt. Wir verwenden groß angelegte, vollständig dreidimensionale atomistische Simulationen, um einzelne Risse und das Zusammenspiel von statischen und sich ausbreitenden Rissen mit Versetzungen, Korngrenzen und anderen Elementen der Mikrostruktur zu untersuchen.
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Die plastische Verformung von Metallen wird durch die Bewegung von Versetzungen getragen. Trotz ihrer Bedeutung für Prozesse mit hoher Dehnrate wie Hochgeschwindigkeitsschneiden sind die Parameter, die die Bewegung von Versetzungen bei hohen Geschwindigkeiten bestimmen, noch nicht vollständig verstanden. In diesem Projekt untersuchen wir die beschleunigte Bewegung von Versetzungen in verschiedenen kfz-Metallen bei unterschiedlichen Temperaturen und Belastungen sowie deren Wechselwirkung mit Hindernissen.
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Amorphous, inorganic materials can show extremely high strengths but usually suffer from very limited fracture toughness. The recent years have seen a rising The glide of dislocations and their interaction with obstacles determines the plastic deformation of metals. Structural materials usually consist of many crystallites (“grains”) of different orientations. The boundaries between these grains are strong obstacles to the propagation of slip.
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The mechanical properties of metal structures change dramatically when their characteristic length scale is of the order of micrometers of below. Nanosized metallic wires, pillars, particles or thin films show for example an increased yield stress (the so-called “smaller is stronger” effect), and changes in their elastic response compared to their bulk counterparts.
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Nanocrystalline materials are characterized by typical grain sizes below 100 nm. These materials exhibit strengths up to ten times higher than that of conventional polycrystalline materials, whilst most of them simultaneously show a significant decrease in ductility. A detailed understanding of the deformation and failure mechanisms is imperative to controlling and tailoring the mechanical properties of this new class of materials. Here, atomistic simulations provide a unique way to study the dislocation and grain boundary processes involved in plastic deformation.
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The performance and lifetime of small-scale materials and devices (nanostructured materials, thin films, MEMS, …) are critically influenced by intrinsic stresses resulting from manufacturing. However, the established techniques for micron-scale measurements of residual stresses still have strong limitations. The goal of the EU-project “Pre-standardisation of incremental FIB micro-milling for intrinsic stress evaluation at the sub-micron scale” (iSTRESS) was to develop an innovative protocol for the analysis of residual stress distribution on a (sub)micron-scale.
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Nickelbasis-Superlegierungen weisen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf und sind Schlüsselmaterialien für Turbinenschaufeln in Strahltriebwerken und Gasturbinen. Da die mechanischen Eigenschaften dieser Superlegierungen stark von der Mikrostruktur abhängen, spielen die Wechselwirkungen von Versetzungen in den γ-Kanälen mit den γ‘-Ausscheidungen eine wichtige Rolle bei der herausragenden Festigkeit dieser Legierungen bei hohen Temperaturen.
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High entropy alloys (HEAs) are chemically complex single-phase alloys with simple crystal structure. They are a novel class of alloy systems with five or more elements at near equiatomic composition with the potential of achieving non-incremental advances in mechanical properties. It is assumed that the high configurational entropy in these alloys stabilizes the single phase despite a significant energetic cost, as the disordered arrangement of atoms implies large atomic-scale lattice distortions.
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Interfaces and dislocation-interface interactions play an important role for development of alloys with improved mechanical properties. Many alloys, however, are characterized by the presence of complex intermetallic phases. Examples, which are currently investigated at our institute, are die-castable Mg alloys for automotive applications.
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Der Mikro-Freischwing-Biegetest wird häufig auf Mikro-Skala-Proben für Bruchzähigkeit angewendet. Durch die geringe Größe der Proben bestehen sie in der Regel aus einkristalline Materialien, bei denen die zugrundeliegende Verformung stets anisotrop ist. Dennoch wird meist die isotrope Theorie angewendet, um die Bruchzähigkeit in Experimenten zu bewerten.
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Metallische Nanostrukturen erhalten derzeit viel Aufmerksamkeit aufgrund ihrer oft überlegenen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Schüttgütern [1]. In ähnlicher Weise haben nanokristalline und insbesondere nanoverstärkte Metalle in letzter Zeit wegen ihrer hohen Streckgrenze großes Interesse erregt [2].
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Risse sind für die Festigkeit eines Materials entscheidend. Die klassische Annahme ist, dass ein halb so großer Bauteil nur die Hälfte an Last tragen kann. Doch ein Riss der zur Hälfte durch ein Bauteil geht reduziert diese ertragbare Last auf einen Bruchteil. Dabei erzeugt der Riss durch seine scharfe und spitze Geometrie eine Spannungsüberhöhung an seiner Front, welche das Material an der Rissspitze versagen lässt. Dieses Versagen setzt sich durch das ganze Bauteil hindurch fort und führt zum Versagen. Spröde Materialien werden daher selbst durch mikroskopisch kleine Risse massiv geschwächt, wohingegen duktile Materialien den Riss abstumpfen lassen.
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