Ab initio based calculation of the stability of selected TCP precipitates in steels: Temperature and interface effects

• Applicants: Privatdozent Dr. Thomas Hammerschmidt; Dr. Tilmann Hickel
• Subject Area: Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 289654611

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden komplexe Ausscheidungsphasen in metallischen Legierungen untersucht. Die Studie konzentrierte sich auf das Fe-Nb System, das für verschiedene Hochtemperaturanwendungen von großer Bedeutung ist. In diesem System bilden sich Ausscheidungen der topologisch dicht-gepackten Phasen C14-NbFe2 und µ-NbeFe7. Die zentralen Ziele dieses Projekts waren die Identifizierung der thermodynamischen und mikrostrukturellen Randbedingungen für die Bildung von Ausscheidungsphasen innerhalb einer Legierungsmatrix, sowie die Entwicklung eines Methodenspektrums, dass sich auf ähnliche Materialsysteme übertragen lässt. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit in diesem Projekt lag auf dem Einfluss des Magnetismus auf die strukturelle Stabilität und Formationsenergie der Laves-Phasen. Das Fe-Nb System hat sich insbesondere aufgrund der komplexen magnetischen Eigenschaften und des Auftretens von dynamischen Instabilitäten als besondere Herausforderung erwiesen. Dadurch wurden im Projekt methodische Entwicklungen zur Bestimmung der freien Energie Ftot (V,T) von komplexen Phasen vorangetrieben, aber auch die Grenzen der verwendeten Ansätze aufgezeigt. Zusatzlich zeigte sich, dass die Bildung von planaren Defekten (insb. Stapelfehlern) entscheidend ist, um die Nukleation von TCP-Phasen, wie der µ Phase in C14 NbFe2, zu verstehen. Fur diese Untersuchungen profitierten wir von einem intensiven Austausch mit experimentellen Arbeiten am MPIE. So konnten durch die DFT Berechnung der Gamma-Oberfläche des basalen Synchroshear-Stapelfehlers Transmissions-Elektronen-Mikroskopie Experimente an Nb-reichem NbFe2 (35 at.% Nb) erklärt werden in denen dieser planare Defekt stark gehäuft auftrat. Zur Aufdeckung der Geometrie dieses Stapelfehlers wurden die Freiheitsgrade in der Ebene des Defekts analysiert, aber auch die Bedeutung der Freiheitsgrade senkrecht dazu herausgearbeitet. Um die thermodynamische Stabilität der Defekte zu erklären, wurden im Rahmen dieses Projekts Defektphasendiagramme entwickelt, die eine vollkommen neue Methodik zur Stabilitätsanalyse von Defekten darstellen. Konzeptionell erwies sich dafür ein Verfahren aus der Oberflächenphysik als besonders vielversprechend, bei dem chemische Potentiale bezüglich Referenzsystemen als zugrunde liegende Hauptgrößen, im Gegensatz zu in Phasendiagrammen üblicherweise verwendeten chemischen Zusammensetzungen, verwendet werden. Aus materialwissenschaftlicher Sicht ist die zentrale Erkenntnis dass die Kohärenz der Gitterparameter eine essentielle mikrostrukturelle Randbedingung für die Bildung von planaren Defekten ist, die im thermodynamischen Gleichgewicht nicht stabil wären und somit die Ausscheidungsbildung unterdrücken. Für die thermodynamische und mikrostrukturelle Simulation im Fe-Nb System wurde in diesem Projekt ein Methodenspektrum entwickelt, dass sich auf ähnliche Materialsysteme übertragen lasst. So wurden signifikante Fortschritte in den Softwarepaketen zur Parametrisierung der TB/BOP Modelle und zu deren Anwendung in großskaligen atomistischen Simulationen erzielt, die nun für zukünftige Projekte bereitstehen. Von wegweisender Bedeutung sind die Überlegungen zur Stabilität von Defektphasen und zur Entwicklung von Defektphasendiagrammen als Grundlage für die thermodynamische Interpretation von planaren Defekten.

Publications

• ”BOPfox program for tight-binding and analytic bond-order potential calculations”, Comp. Phys. Comm. 235 (2019) 221- 233
  T. Hammerschmidt, B. Seiser, M. E. Ford, A.N. Ladines, S. Schreiber, N. Wang, J. Jenke, Y. Lysogorskiy, C. Teijeiro, M. Mrovec, M. Cak, E. R. Margine, D. G. Pettifor, R. Drautz
  
• “Atomic-scale configuration of planar defects in the Nb-rich C14 Laves Phase NbFe2”, Acta Mater. 183 (2020) 362-376
  M. Slapakova, A. Zendegani, C. Liebscher, T. Hickel, J. Neugebauer, T. Hammerschmidt, A. Ormeci, Y. Grin, G. Dehm, S. Kumar, F. Stein
  
• ”BOPcat software package for the construction and testing of tight-binding models and analytic bond-order potentials”, Comp. Mat. Sci. 173 (2020) 109455 (1-12)
  A. Ladines, T. Hammerschmidt, R. Drautz