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Atomic-scale modeling of nanostructured metals and alloys

Stukowski, Alexander :
Atomic-scale modeling of nanostructured metals and alloys.
Institut für Materialwissenschaft, TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Atomic-scale modeling of nanostructured metals and alloys
Language: English
Abstract:

The prospect of realizing materials with highest strengths and other unique properties has driven a large number of research activities on nanostructured materials in recent years. The present dissertation deals with the atomic-scale modeling of nanocrystalline and nanotwinned metals and alloys, employing state of-the-art atomistic simulation and analysis methods. The aims of the present work are two-fold: to develop novel computational techniques in the field of atomistic materials modeling, and to use these methods to shed light on the structure and atomic-scale plasticity of nanostructured materials. In the first part of this thesis the newly developed data analyis and visualization software Ovito is described, which provides the basis for all following work. It serves as an integral part in the search for the origins of microstrain broadening in x-ray diffraction (XRD) data of nanocrystalline materials. To this end, virtual nanocrystalline structures are characterized by means of simulated diffraction experiments as well as a real-space strain field analysis. By correlating the results from the strain field analysis with the XRD measurements, conclusions on the features of nanometer-sized grains contributing to peak broadening can be drawn. In the second part two sophisticated analysis algorithms are developed, which allow to extract the complete dislocation network from an atomistic simulation. The identification of single dislocation lines and the determination of their Burgers vector has been a laborious task usually done by hand in the past. The new method makes this information available within seconds, enabling a quantitative assessment of dislocation processes in large-scale molecular dynamics (MD) simulations. It is employed in a study of dislocation plasticity of nanotwinned metals, which can exhibt highest strength and ductility compared with their twin-free counterparts. The deformation mechanisms of Cu and Pd with ultrahigh twin densities are investigated by means of MD simulations. While nanotwins have a strengthening effect in Cu, they lead to a softening in Pd. This difference is discussed in terms of the characteristic dislocations occurring during deformation. The third part is dedicated to nanocrystalline alloys. First, an atomistic simulation method is described that allows to model such materials by taking into account both structural and chemical equilibration in large-scale MD simulations. It is complemented by an efficient implementation of a concentration-dependent interatomic potential scheme, which enables a precise description of the energetics of mixing in multi-component systems over the whole concentration range. These tools are then employed in a study of nanocrystalline Pd–Au. The stress-strain behavior of this miscible alloy is discussed in terms of the interplay of grain boundary solute segregation, fault energies, and grain size.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Aussicht, Werkstoffe mit höchsten Festigkeiten und anderen einzigartigen Eigenschaften zu realisieren, hat in den letzten Jahren eine große Zahl von Forschungsarbeiten zu nanostrukturierten Materialien motiviert. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der atomaren Modellierung solcher nanokristallinen bzw. nanoverzwillingten Metalle und Legierungen unter der Verwendung von neuartigen atomistischen Simulations- und Analysemethoden. Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele: Es sollen zum einen neue rechnergestützte Techniken im Bereich der atomistischen Materialmodellierung entwickelt werden. Im Anschluss sollen diese dazu dienen, die Struktur von nanostrukturierten Materialien und ihre atomaren Verformungsmechanismen besser zu verstehen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die neu entwickelte Datenanalyse- und Visualisierungssoftware Ovito beschrieben, die die Grundlage für alle folgenden Arbeiten darstellt. Sie dient als wichtiges Werkzeug bei der Suche nach den Ursachen für die Verbreiterung von Röntgenbeugungsreflexen durch Mikrodehnungsfelder in nanokristallinen Werkstoffen. Zu diesem Zweck wurden virtuelle nanokristalline Modellstrukturen mit Hilfe von simulierten Beugungsexperimenten charakterisiert. Durch den Vergleich der Ergebnisse mit einer neuartigen Realraumanalyse für Dehnungsfelder lassen sich Rückschlüsse über die Eigenschaften von nanometergroßen Körnern und deren Beitrag zur beobachteten Linienverbreiterung ziehen. Im zweiten Teil der Arbeit werden zwei leistungsfähige Algorithmen vorgestellt, welche es erlauben, das vollständige Netzwerk von Versetzungslinien aus einer atomistischen Simulation zu extrahieren. Die Identifizierung von einzelnen Versetzungslinien und die Bestimmung der zugehörigen Burgersvektoren was bisher eine mühsame Aufgabe, die in der Vergangenheit stets von Hand erledigt wurde. Die neue Methode stellt nun diese Daten innerhalb von Sekunden zur Verfügung, so dass eine quantitative Untersuchung von Versetzungsprozessen in großen Molekulardynamik-Simulationen möglich wird. Die vorgestellten Verfahren werden in einer Studie zur Versetzungsplastizität von hochverzwillingten Metallen eingesetzt, die sehr hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen können. Die Verformungsmechanismen von Cu und Pd mit sehr hoher Zwillingsdichte werden dabei mit Hilfe der Molekulardynamik-Methode untersucht. Während Nanozwillinge einen festigkeitssteigernden Effekt in Kupfer haben, führen sie zu einer Reduzierung der Festigkeit in Palladium. Dieses unterschiedliche Verhalten wird in Bezug auf die auftretenden, charakteristischen Versetzungstypen während der Verformung diskutiert. Der dritte Teil ist nanokristallinen Legierungen gewidmet. Zunächst wird eine atomistische Simulationsmethode beschrieben, die es bei der Modellierung von Legierungen erlaubt, sowohl das strukturelle als auch das chemische Gleichgewicht des Systems zu studieren. Sie wird ergänzt durch eine effiziente Implementierung eines konzentrationsabhängigen Potentialschemas für die interatomare Wechselwirkung, welches eine präzise Beschreibung der Mischenthalpie über den gesamten Zusammensetzungsbereich erlaubt. Diese Werkzeuge werden dann für die Untersuchung von nanokristallinem Pd-Au eingesetzt. Das beobachtete Spannungs-Dehnungs-Verhalten dieser mischbaren Legierung wird in Bezug auf das Zusammenspiel von Korngrenzsegregation, Stapelfehlerenergien und Korngröße diskutiert.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften
Date Deposited: 15 Jul 2010 08:31
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22391
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten and Hahn, Prof. Dr. Horst
Refereed: 2 July 1010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2239
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