Untersuchungen zum Einfluss der Kohlenstoffkonzentration auf die Versetzungsbewegung in alpha-Eisen mittels atomistischer Simulationen
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein Molekulardynamik/Monte-Carlo-(MD/MC)-Kopplungsansatz unter Verwendung virtueller Atome wurde formuliert, implementiert und eingesetzt, um die Kohlenstoffsegregation zu Versetzungen in einem Eisenkristall auf atomarer Ebene zu untersuchen. Die in dieser Arbeit neu eingeführten virtuellen Atome werden als Platzhalter genutzt, um Positionen minimaler Energie für interstitielle Kohlenstoffatome zu markieren und während der Monte-Carlo-Schritte numerisch effizient anzusprechen. Während der Molekulardynamik-Schritte bewegen sich diese virtuellen Atome in den Zentren der Oktaeder-Lücken im kubisch-raumzentrierten Eisenkristall, ohne die Wechselwirkung der Eisenatome zu stören. Während der Monte-Carlo-Schritte können reale Kohlenstoffatome gegen Platzhalter ausgetauscht und die Energieänderung während dieses Austauschs als Grundlage für den Metropolis-Algorithmus numerisch effizient bestimmt werden. Während eines solchen Austauschschrittes, wird die atomare Konfiguration in einem sphärischen Volumen um das ausgetauschte Atom herum relaxiert, so dass die Energien vor und nach dem Austauschschritt berechnet und verglichen werden können. Diese Methodik wurde entwickelt, um insbesondere bei großen Gitterverzerrungen, wie sie in der Nähe von Versetzungen vorliegen, numerisch effizient Kohlenstoffatome an Testpositionen setzen zu können. In einigen Anwendungsbeispielen wird gezeigt, dass die Modellierung der C-Segregation in einem ferritischen Einkristall mit einzelnen Schrauben- und Stufenversetzungen und auch mit einem komplexen Versetzungsnetzwerk, das durch Nanoindentierungssimulationen erzeugt wurde, durch das gekoppelte MD/MC-Verfahren möglich ist. Die Konfiguration der segregierten Kohlenstoffatome um eine einzelne Schraubenversetzung zeigt eine dreifache Symmetrie, in Übereinstimmung mit Ergebnissen der 3D-Atomsondentomographie aus der Literatur. Die C-Verteilung um eine Stufenversetzung spiegelt hingegen die Verteilung der hydrostatischen Zug- und Druckspannungen wieder, so dass der Kohlenstoff in den Bereich hydrostatischer Zugspannungen segregiert. Zusätzlich werden Ergebnisse mit unterschiedlichen Embedded-Atom-Method-(EAM)-Potentialen verglichen, um die Allgemeingültigkeit des vorgeschlagenen Kopplungsansatzes unter Verwendung virtueller Atome zu zeigen. Auch wurde der Einfluss der Cottrell-Wolken auf die kritische Spannung zur Bewegung von Stufen- und Schraubenversetzungen untersucht und auch hier konsistente Ergebnisse zu früheren Studien erzielt. Simulationen der C-Segregation in komplexen Versetzungsnetzwerken, die aus Nanoindentierungssimulationen an einem Einkristall resultieren, belegen Stabilität und numerische Effizienz des neu entwickelten Verfahrens. Rückblickend hat sich die Entwicklung und die Implementierung der neuen Algorithmen deutlich komplexer erwiesen, als bei der Antragstellung vorhergesehen. Eine große Herausforderung bestand darin einen stabilen Computercode zu implementieren, der in einer parallelen Umgebung lauffähig ist. Die wesentlichen Ziele des Antrags konnten erreicht werden: Auswahl eines geeigneten interatomaren Potentials für das Fe-C-System, Entwicklung eines Potentials für Platzhalter, Anpassung und Implementierung des gekoppelten MD/MC-Algorithmus, Simulationen der Kohlenstoff-Segregation an Versetzungen, Einfluss der Cottrell-Wolken auf die Versetzungsmobilität und Simulationen von Verformungsprozessen an Einkristallen. Lediglich die Anwendung auf vielkristalline Systeme und einige spezielle Anwendungsfälle konnten im Rahmen des Projekts nicht erreicht werden. Die wissenschaftlich interessanten Anwendungen, wie die Untersuchung der Bildung von Cottrell- Wolken um Versetzungen im Fe-C-System und deren Auswirkung auf die kritische Schubspannung zur Bewegung der Versetzungen, bilden die Grundlage für die Dissertation des wissenschaftlichen Mitarbeiters Hariprasath Ganesan.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Cluster Formation in Overlapping Disk Systems, Proceedings of the International Conference on Numerical Analysis and Applied Mathematics 2016 (ICNAAM), AIP Conference Proceedings, 1863, 560089 (2017)
G. Sutmann, H. Ganesan and C. Begau
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4992772) - Parallel hybrid Molecular Statics / Monte Carlo for Segregation of Interstitials in Solids, Book of Abstracts for Simulation Science Workshop, Göttingen, 82-84 (2017)
G. Sutmann, H. Ganesan and C. Begau
