Magnesiumlegierungen sind ein vielversprechender Leichtbauwerkstoff zur Gewichtsreduzierung in Automobilen und Transportsystemen und bieten das Potenzial, den Kraftstoffverbrauch zu senken und Emissionen zu reduzieren. Allerdings verhindern geringe Formbarkeit und Festigkeit eine breite Verbreitung.
Forscher der University of Michigan haben ein Vorhersagemodell entwickelt, um die Optimierung von Magnesiumlegierungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen zu unterstützen.
Das Verständnis und die Beeinflussung der Wechselwirkungen zwischen gelösten Elementen und Korngrenzen bei verschiedenen Temperaturen ist entscheidend für die Bestimmung der optimalen Magnesiumlegierungszusammensetzungen und Verarbeitungswege. Da das Seltenerdelement Yttrium die Fähigkeit aufweist, Magnesiumkorngrenzen zu trennen, wurde im Rahmen der Studie ein Modell entwickelt, das auf Yttriumeffekten auf Magnesiumlegierungen basiert.
Der Artikel wurde veröffentlicht in Acta Materialia beschreibt eine integrierte Methode, die auf atomistischen Simulationen und maschinellem Lernen basiert, um das Gleichgewichtssegregationsverhalten gelöster Stoffe an Korngrenzen in polykristallinen Magnesiumlegierungen im Mikromaßstab bei hohen Temperaturen, die repräsentativ für ihre thermomechanische Verarbeitung sind, genau vorherzusagen.
„Dieser Ansatz ermöglicht genaue Überlegungen zu den statistischen Merkmalen von Korngrenzenstandorten und endlichen Temperatureffekten über die harmonische Näherung zur Segregationsenergetik gelöster Stoffe hinaus“, sagte Liang Qi, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik und korrespondierender Autor des Artikels.
Bei der Erstellung des Vorhersagemodells integrierten die Forscher das Spektralmodell für die Korngrenzensegregation, die thermodynamische Integration auf der Grundlage von Molekulardynamiksimulationen für genaue Berechnungen der freien Energie sowie physikalisch fundierte Ersatzmodelle für maschinelles Lernen mit strenger Unsicherheitsanalyse.
„Unser Ersatzmodell zeigt Robustheit bei der Vorhersage der freien Entmischungsenergie für Getreidestandorte, die erheblich von denen in unserem Trainingsdatensatz abweichen“, sagte Vaidehi Menon, Doktorandin der Materialwissenschaften und -technik und Erstautorin des Artikels
Die Co-Autoren Sambit Das, ein stellvertretender Forschungswissenschaftler, und Vikram Gavini, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaft und -technik, nutzten ihre Software, die in der Lage ist, Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu berechnen, um Ab-initio-Berechnungen durchzuführen, um die Genauigkeit atomarer Simulationen zu überprüfen .
Obwohl die Modelle auf Yttrium basierten, würde dieses Seltenerdelement bei groß angelegten strukturellen Anwendungen erhebliche Kosten verursachen. Das vom Forschungsteam entwickelte umfassende Vorhersagetool kann dabei helfen, praktischere Legierungselemente zu identifizieren.
„Unsere Methode kann dazu beitragen, die Identifizierung kostengünstiger Legierungselemente zur Verbesserung von Magnesiumlegierungen und anderen metallischen Legierungssystemen zu beschleunigen“, sagte Qi.
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Vaidehi Menon et al., Atomistische Simulationen und maschinelles Lernen der Korngrenzensegregation gelöster Stoffe in Mg-Legierungen bei endlichen Temperaturen, Acta Materialia (2023). DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119515