Dislocation Motion in Single-Phase High-Entropy Alloys -- Theory and Simulation
Final Report Abstract
Chemisch komplexe oder hochentropische Legierungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sich Atome verschiedenen Typs und unterschiedlicher Größe in ungefähr gleichen Anteilen ein gemeinsames Kristallgitter teilen. Das führt dazu, dass in solchen Legierungen oft erhebliche Gitterverzerrungen auf atomarer Skala bestehen. Zugleich ist die Energie planarer Kristallbaufehler (Stapelfehler) stark herabgesetzt. In unserem Projekt wurde untersucht, wie sich diese Besonderheiten auf Struktur und Beweglichkeit von Kristallversetzungen und damit auf die plastischen Verformungseigenschaften dieser neuen Materialien auswirken. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von Versetzungen mit Gitterverzerrungen auf atomarer Skala und ihre Bewegung unter dem Einfluss von Scherspannungen stark von der Richtung der Versetzungslinien abhängt: Versetzungen, die sich parallel zur Scherrichtung bewegen (sog. Stufenversetzungen) werden in ihrer Bewegung stark behindert, während Versetzungen mit Bewegungsrichtung senkrecht zur Scherrichtung (sog. Schraubenversetzungen) durch die atomare Unordnung sehr viel weniger beeinflusst werden. Insgesamt führt die Behinderung der Versetzungsbewegung zu einem erheblichen Festigkeitsanstieg, der besonders ausgeprägt ist, wenn sich die Größe der Atome im Kristallgitter stark unterscheidet. Neben der Versetzungsbeweglichkeit wurde wurde auch die Struktur von Versetzungen in Materialien mit niedriger Stapelfehlerenergie und starken Gitterverzerrungen durch atomistische und versetzungsdynamische Simulationen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Struktur von Versetzungen in solchen Materialien nicht eindeutig bestimmt ist, sondern eine Versetzung je nach Vorgeschichte verschiedene Konfigurationen aufweist, bei denen sogenannte Partialversetzungen einen Stapelfehler von unterschiedlicher Breite umgeben. Unter bestimmten Bedingungen kann starke Gitterunordnung sogar dazu führen, dass Versetzungen unter Last auseinanderfallen: Während eine Partialversetzung liegenbleibt, bewegt sich die andere Partialversetzung über weite Strecken und erzeugt dabei eine ausgedehnte Stapelfehlerfläche. Wird diese Verformungsmode dominant, dann könnte es es im Lauf der Verformung zu starken Störungen des Kristallgitters und einer hohen Verfestigung kommen. Eine weitere Untersuchungslinie befasst sich mit der Frage, wie die Behinderung der Versetzungsbewegung aufgrund atomarer Verzerrungen sich mit anderen Hindernisformen überlagert, etwa der Verfestigung durch Ausscheidungen oder Hohlräume, zwischen denen sich die Versetzungen hindurchzwängen müssen. Hierzu wurden molekulardynamische und -statische Simulationen durchgeführt, in denen der zur Versetzungsbewegung verfügbare Raum über die Randbedingungen oder Hindernisse eingeschränkt wurde. Dabei zeigte sich, dass die Wechselwirkung von Versetzung und Gitterverzerrungen oberhalb einer kritischen Skala – der sogenannten Pinninglänge, die bei den untersuchten Legierungen nahe 20 nm lag – durch die zusätzliche Beschränkung nicht beeinflusst wird. Unterhalb dieser Skala kommt es dagegen zu einem schnellen und ausgeprägten Festigkeitsanstieg, die verfestigende Wirkung der atomaren Gitterverzerrungen wird also durch die geometrische Beschränkung noch verstärkt. Dieses Ergebnis könnte es ermöglichen, durch Verstärkung mit nanoskaligen Einschlüssen in chemisch komplexen oder hochentropischen Legierungen in synergistischer Weise besonders hohe Festigkeitswerte zu erreichen.
Publications
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Properties of dislocation lines in crystals with strong atomic-scale disorder, Materials Science and Engineering A 740-741, p. 285-294, 2019
J. Zhai and M. Zaiser
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Pinning of dislocations in disordered alloys: Effects of dislocation orientation
M. Zaiser and R. Wu
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Pinning of extended dislocations in atomically disordered crystals
A.Vaid, E. Bitzek, D. Wei, S. Nasiri and M. Zaiser
