Im Bereich der Materialwissenschaft und -technik spielen die mechanischen Eigenschaften von Metallen und Legierungen eine entscheidende Rolle für die strukturelle Stabilität, die Verschleißfestigkeit und die Langlebigkeit von Bauteilen. Die zugrundeliegenden Verformungsmechanismen, insbesondere Deformationszwillinge, beeinflussen diese Eigenschaften erheblich. Beim Deformationszwilling kommt es zu einer homogenen Scherung von Atomschichten innerhalb von Kristallgittern, wodurch deutliche Zwillingsgrenzen entstehen, die Bereiche mit spiegelbildlicher Symmetrie voneinander trennen. Während bei Metallen das Gleiten der vorherrschende Verformungsmechanismus ist, stellt die Zwillingsbildung eine entscheidende Möglichkeit dar, insbesondere bei Materialien mit wenigen unabhängigen Gleitsystemen. Das Verständnis und die Charakterisierung von Verformungszwillingen ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie Aspekte wie Kaltverfestigung, Rissentstehung und -ausbreitung beeinflussen.

Bestimmte Bedingungen wie niedrige Stapelfehlerenergie, hohe Dehnungsgeschwindigkeiten oder niedrige Temperaturen können die Verformungsverzwillingung erheblich fördern. Dieses Phänomen erhöht die Festigkeit und Duktilität eines Werkstoffs und ist damit ein wichtiger Faktor für das Werkstoffverhalten. Verformungszwillinge wirken als Hindernisse für das Gleiten von Versetzungen und verringern den mittleren freien Weg von Versetzungen, was gemeinhin als "dynamischer Hall-Petch-Effekt" bezeichnet wird. Im Zusammenhang mit Stählen zeigen TWIP-Stähle (Twinning-induced Plasticity) ein einzigartiges Verhalten, das über dem Bereich liegt, der klassischerweise als "Materialbanane" bezeichnet wird.

Herkömmliche experimentelle Methoden sind oft nicht in der Lage, die dynamische zeitliche Entwicklung von Zwillingsstrukturen während Verformungsprozessen zu erfassen. Molekulardynamiksimulationen (MD) bieten eine leistungsstarke Möglichkeit, diese dynamischen Prozesse auf atomarer Ebene zu untersuchen. Allerdings fehlte den MD-Simulationen lange Zeit ein geeignetes Werkzeug zur systematischen automatischen oder halbautomatischen Identifizierung und Analyse von Zwillingen. Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Studie ein innovativer Algorithmus vorgestellt, der auf der OVITO-Plattform aufbaut. Dieser Algorithmus automatisiert die Identifizierung von kohärenten Zwillingsgrenzen, stellt Verbindungen zwischen verwandten Zwillingsgrenzen her und verfolgt die zeitliche Entwicklung der identifizierten Zwillingsstrukturen. Er bietet quantifizierbare Daten und erleichtert die detaillierte Untersuchung einzelner Zwillinge.

Durch die Anwendung dieses Algorithmus auf die Untersuchung des Verformungsverhaltens eines Kupfereinkristalls, der einer Scherung ausgesetzt war, konnten in der Studie verschiedene Zwillingsgrenzen erfolgreich verfolgt und analysiert werden, was Einblicke in ihre Entstehung und ihr Wachstum über mehrere Zeitschritte hinweg ermöglichte. Die Orientierungsanalyse hat die Zwillinge zuverlässig validiert und die Genauigkeit und Nützlichkeit des Algorithmus bei der Aufklärung der komplizierten Mechanismen, die der Zwillingsbildung zugrunde liegen, unter Beweis gestellt. Diese Forschungsarbeit befasst sich mit dem dringenden Bedarf an einem leistungsstarken Werkzeug zur Untersuchung von Verformungszwillingen durch MD-Simulationen, das es Forschern ermöglicht, grundlegende Aspekte von Zwillingen zu erforschen und tiefere Einblicke in das Materialverhalten und seine Auswirkungen auf die mechanische Leistung zu gewinnen.