Softwareentwicklung für Versetzungskriechen von Legierungen

Viele Bauteile aus metallischen Legierungen sind enormen Belastungen ausgesetzt und widerstehen hohen Kräften und Temperaturen. Meistens kann man die Belastungen vor der Konstruktion gut testen, und daher die Bauteile korrekt konstruieren. Es gibt jedoch ein Phänomen, das experimentell nur schwer zu erfassen ist: das Kriechen der Werkstoffe. Kriechen ist die langsame Verformung bei hohen Temperaturen und starker mechanischer Belastung. Das kann ein großes Problem sein, zum Beispiel in thermischen Kraftwerken bei Dampfdruckrohren und kesseln oder bei Turbinen. Irgendwann wird die Verformung so groß, dass der Betrieb riskant wird, da die Bauteile schlicht explodieren können. Das kostet durch den Schaden und den Produktionsausfall - nicht nur viel Geld, sondern bringt auch Menschenleben in Gefahr. Da Kriech-Verformungen extrem langsam stattfinden, dauern Tests im Labor oft viele Jahre. Dadurch verläuft die Forschung nach neuen Materialien äußerst schleppend. Zum Beispiel werden in Kraftwerken Komponenten noch immer aus Materialien gefertigt, die in den 1950er-80er Jahren entwickelt worden sind. Das funktioniert zwar, schöpft aber das Potential eines Kraftwerkes nicht aus: mit neuen Materialien ließe sich die Arbeitstemperatur erhöhen, der Wirkungsgrad steigern, Ressourcen einsparen und der CO2-Austoß verringern. Thema des Projektes ist das Modellieren und Simulieren von Kriechen. Kann die Verformung ausreichend genau simuliert werden, spart man sich Tests und damit Zeit und Geld. Es gibt aber zwei Probleme: Erstens: Kriechen ist extrem komplex und schwer zu erfassen. Zweitens: Viele Modelle sind unzuverlässig und funktionieren nur unter Einschränkungen; meistens muss erst wieder ein Test durchgeführt werden, um die Simulation der Realität anzupassen. Nichtsdestotrotz gibt es gute Lösungen zu einzelnen Aspekten. An diesem Punkt setzt das Projekt an: die Teilmodelle werden gesammelt und in eine einheitliche Sprache gebracht. Dadurch kann man widersprechende Theorien identifizieren, Lücken erkennen, und die Einzelmodelle verknüpfen. Dabei wird streng auf die Qualität geachtet: alles muss 100% physikalisch fundiert sein, denn ein einziger fehlerhafter Beitrag stellt das gesamte Netzwerk in Frage. Das Gesamtmodell wird dann als transparente glass-box Software codiert, um es für Simulationen zu nutzen. So können die Nutzer den aktuellen Stand der Wissenschaft (plus die im Projekt erarbeiteten Fortschritte) einfach verwenden, ohne selber auf die Suche nach den besten Modellen gehen zu müssen. Die Software wird dann verbreitet und wird die Forschung im Bereich des Kriechens beschleunigen. Die Entwicklung von neuen Materialien kann so schneller erfolgen, die Sicherheit von Bauteilen schneller beurteilt und die Umsetzung von energie-effizienten Lösungen gefördert werden. Im Endeffekt spart das Projekt Zeit, Geld, Ressourcen, Energie, steigert die Sicherheit und senkt den Treibhauseffekt.

Metalle und Legierungen verhalten sich bei hohen Temperaturen oder/und wechselnder mechanischer Belastung grundsätzlich anders als gewohnt - sie verschlechtern Stück für Stück ihre Eigenschaften, bis sie schließlich versagen. Dieser Prozess kann viele Jahre dauern und ist daher experimentell sehr schwer zu untersuchen. Eine Simulation des Verhaltens ist ebenso schwierig, da die Ursachen tief in der Mikrostruktur des Materials zu suchen ist. Die Mikrostruktur umfasst dabei alles, was sich in der Größenordnung zwischen einzelnen Atomen (weniger als ein Nanometer) und dem sichtbaren Bereich (größer als 1/10 Millimeter) abspielt. Verallgemeinert umfasst die Mikrostruktur alle Abweichungen des Materials von einem idealen Kristall - auch Metalle sind aus Kristallen zusammengesetzt. Wissenschaftlich ist es enorm schwierig, die Lebensdauer eines Werkstoffes unter diesen Nebenbedingungen vorherzusagen. In diesem Projekt haben wir uns mit der Frage beschäftigt, inwieweit wir dieses Verhalten mit dem derzeitigen Stand physikalischer Modelle verstehen können. Dabei war uns insbesondere wichtig, das Werkstoffverhalten nicht nur zu beschreiben, sondern tatsächlich zu verstehen - ein gewaltiger Unterschied, und eine wichtige Grundlage für die Neuentwicklung verbesserter Materialien. Als Projektergebnis erhielten wir ein tragfähiges Modell, das bekannte physikalische Prinzipien neu miteinander vernetzte und die einzelnen Unter-Modelle in wesentlichen Punkten verbesserte. Wir konnten viele Lücken in der Theorie schließen, und ein- und dieselbe Beschreibung für eine Vielzahl an Legierungssorten anwenden. Nachdem das entwickelte Modell extrem komplex ist, suchten wir auch nach einer Methode, wie wir die Anwendung für andere Forschungsgruppen oder auch industrielle Nutzer vereinfachen können. Im Zuge dieses Vorhabens entwickelten wir eine einfach zu bedienende Software, in die das Modell integriert wurde. Der Nutzer gibt dabei den bekannten Ausgangszustand des Materials ein, die Software simuliert - anhand des komplexen Modells - die Reaktion des Materials auf mechanische Beanspruchung und hohe Temperaturen. Die großen Vorteile gegenüber herkömmlichen Modellen sind vor allem die Rechengeschwindigkeit (eine Vorhersage für viele Jahre dauert wenige Sekunden) sowie das solide physikalische Fundament. Falls ein neues Materialkonzept, das erst über viele Jahre getestet werden müsste, in der Simulation nicht die erhofften Eigenschaften zeigt, lässt sich durch die kurzen Rechenzeiten schnell Ursachenforschung für das Werkstoffversagen betreiben. Dadurch lässt sich das Material schon optimieren, bevor es überhaupt hergestellt worden ist. Dieser Ansatz erspart Materialentwicklern in Zukunft viel Zeit und Kosten.