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Atomistic simulations of plasticity in nanocrystalline alloys

Schäfer, Jonathan :
Atomistic simulations of plasticity in nanocrystalline alloys.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Atomistic simulations of plasticity in nanocrystalline alloys
Language: English
Abstract:

Due to their extraordinary mechanical properties, the field of research on nanocrystalline metals and their alloys has been steadily growing since the early synthesis attempts. Especially for the case of alloyed systems, however, a strong link between the macroscopic mechanical properties and the atomistic mechanisms being at the heart of a materials response to an external load is still missing. For addressing this problem, atomistic simulation techniques are used in this work. Several metals and their alloys are studied. The main emphasis is on elucidating generalized structure-property relationships for nanocrystalline microstructures. In the first part, an introduction to the subject and the employed methods is given. Then, the sample preparation technique is explained and the introduction of solute atoms into a nanocrystalline model structure is discussed, where several methods are compared. Characterization of the nanocrystalline alloys with focus on the elemental distribution in the microstructure shows that a high density of grain boundaries can drastically affect the local composition and the phase stability range for a given alloy. Uniaxial deformation simulations of the nanocrystalline alloys allow us to identify the atomic processes, which control the macroscopic mechanical behavior. Modulating the structural feature, which controls the strength i.e. the free volume in the grain boundaries by the introduction of different amounts of segregating solutes helps to develop a new scaling law, which depends not only on the grain size but also on grain boundary energy and the grain boundary relaxation. The variation of the concentration of solutes in different parts of the microstructure, where the composition in the grain interior and the grain boundaries is studied independently, reveals that conventional solid solution hardening is absent in nanocrystalline alloys. This supports the finding that the relaxation state of the grain boundary is controlling the strength of the material. After showing, that dislocation processes in the grain interior do not control the strength of the structures, their role for the ductility of the prepared alloys is tested by introducing intermetallic grains into the microstructure. Thus, the deformation is restricted to processes in the grain boundaries. Here it is demonstrated, that the ductility of the samples is strongly affected by the grain size while the strength controlling parameter is identical to miscible and segregating alloys. The delicate interplay between the different deformation processes mediated by the grain boundary is investigated for the competition between normal grain boundary motion and mesoscopic grain boundary sliding. It is analyzed, how this competition is altered by segregating solutes and under which conditions each mechanism is contributing to plastic deformation in nanocrystalline metals and alloys.

The results by conventional molecular dynamics simulations are affected by the very high strain rates. Combining molecular dynamics with Monte Carlo simulations can overcome this limitation and allows to explore, how different deformation mechanisms are influenced by the simulation conditions. The Monte Carlo algorithm accounts for local relaxation by trial exchanges, shortcutting diffusional processes. It is shown how the balance between different contributions to plastic deformation depends on the local relaxation and how conventional molecular dynamics straining simulations overestimate the contribution by dislocation processes. The simulation of thermally activated processes in large systems with molecular dynamics is in general complicated by the limited timescales. Here, designing thermally stable microstructures offers the possibility to study the deformation processes at elevated temperatures without inducing grain growth. Thus, grain boundary creep in nanocrystalline model structures can be studied, if appropriate microstructures are used. Here, the effect of solute atoms is analyzed, where different compositions and different material systems are compared. The results show, how solute atoms affect the creep compliance of a nanocrystalline alloy. The atomic mechanisms governing the mass transport through the grain boundaries are discussed and compared to the processes governing plastic flow in bulk metallic glasses.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Wegen ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften hat die Forschung an nanokristallinen Metallen und deren Legierungen seit der ersten Syntheseversuche beständig zugenommen. Speziell für den Fall von legierten Systemen wurde jedoch bisher keine klare Verbindung zwischen den makroskopischen mechanischen Eigenschaften und den kontrollierenden atomaren Mechanismen hergestellt. In der vorgelegten Arbeit wurden hierzu atomistische Computersimulationen durchgeführt. Verschiedene Metalle und deren Legierungen wurden untersucht. Der Hauptaugenmerk lag auf der Untersuchung von allgemeinen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Im ersten Teil der Arbeit erfolgt die allgemeine Einführung und die Vorstellung der verwendeten Methoden. Dann wird die Herstellung der Computerproben erläutert und das Legieren durch Einfügen anderer Atome diskutiert. Hier wurden verschiedene Methoden verglichen. Charakterisierung der Elementverteilung in den nanokristallinen Legierungen zeigt, dass ein hoher Anteil an Korngrenzen die lokale Zusammensetzung und den Stabilitätsbereich einer bestimmten Phase für eine gegebene Legierung stark beeinflussen kann. Uniaxiale Verformungssimulationen der nanokristallinen Legierungen erlauben es, die atomistischen Prozesse zu identifizieren, die das makroskopische mechanische Verhalten kontrollieren. Des Weiteren kann das freie Volumen in den Korngrenzen, welches die makroskopische Festigkeit bestimmt durch hinzulegieren von segregierenden Elementen systematisch variiert werden. Dies erlaubte es eine neue Abhängigkeit zu formulieren in welcher die Festigkeit nicht nur von der Korngröße, sondern auch von der Korngrenzenergie und der Korngrenzrelaxation abhängt. Die unabhängige Variation der Zusammensetzung in unterschiedlichen Teilen der Mikrostruktur erlaubte es außerdem zu zeigen, dass konventionelle Mischkristallhärtung in den untersuchten nanokristallinen Legierungen nicht auftritt. Dies unterstützt die Beobachtung, dass der Relaxationszustand der Korngrenzen die Festigkeit des Materials kontrolliert. Nachdem gezeigt wurde, dass Versetzungsprozesse im Korninneren nicht die Festigkeit kontrollieren, wurde deren Einfluss auf die Duktilität getestet. Hier kann Versetzungsbewegung in den Körnern durch eine intermetallische Phase unterdrückt werden, was die Verformung auf die Bereiche der Korngrenze begrenzt. Hier konnte gezeigt werden, dass die Duktilität der intermetallischen Proben sehr stark von der Korngröße abhängt, der festigkeitsbestimmende Parameter jedoch identisch ist zu dem Fall von mischbaren und segregierenden Legierungen ist. Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Korngrenzmechanismen wurde für den Fall von Korngrenz-Normalbewegung und mesoskopischem Korngrenzgleiten untersucht. Es wurde studiert, wie deren Konkurrenz durch segregierende Atome beeinflusst wird und unter welchen Bedingungen welcher Mechanismus zur Verformung von nanokristallinen Metallen und Legierungen beiträgt. Die Ergebnisse von konventionellen Molekulardynamiksimulationen werden durch die sehr hohen Dehnraten beeinflusst. Eine Kombination von Molekulardynamik und Monte Carlo Simulationen kann es ermöglichen, diese Limitierung zu umgehen und zu untersuchen wie unterschiedliche Mechanismen von den Verformungsbedingungen abhängen. Der Monte Carlo Algorithmus führt lokal Austauschversuche durch, was Diffusionsprozesse umgeht. Es konnte gezeigt werden, wie die Verteilung zwischen verschiedenen Beiträgen zur plastischen Verformung von der lokalen Relaxation abhängt und dass konventionelle Molekulardynamiksimulationen den Beitrag durch Versetzungsbewegung überschätzen. Die Simulation von thermisch aktivierten Prozessen in großen Systemen mittels Molekulardynamik wird generell durch die limitierte Zeitskala erschwert. Hier können thermisch stabile Mikrostrukturen es erlauben, Verformungsprozesse bei erhöhten Temperaturen ohne den Einfluss von Kornwachstum zu studieren. So kann Korngrenzkriechen in nanokristallinen Strukturen untersucht werden, wenn entsprechende Mikrostrukturen verwendet werden. Hier wurde der Effekt von Legierungselementen untersucht, wobei verschiedene Zusammensetzungen und Materialsystem verglichen wurden. Die Ergebnisse zeigen, wie Legierungsatome den Kriechwiderstand einer nanokristallinen Legierung beeinflussen. Die atomaren Mechanismen, die den Massetransport durch die Korngrenzen erlauben wurden untersucht und mit den Prozessen in metallischen Gläsern verglichen. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Materials Modelling
Date Deposited: 20 Mar 2013 12:43
Last Modified: 01 Oct 2013 22:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33549
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten and Hahn, Prof. Dr. Horst
Refereed: 31 January 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3354
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