Einfluss von Oxidschichten auf die plastischen Eigenschaften von Metallen: Von der atomistischen zur mesoskopischen Skala
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In einer sauerstoffreichen Umgebung bildet sich in der Regel eine Oxidschicht auf Metalloberflächen aus. Für die korrekte Beschreibung der Versetzungsnukleation und - ausbreitung muss deshalb der Einfluss der Oxidation berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig für Materialien mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis wie poröse Materialien und leichte Materialien wie Aluminium. Bei letzteren kann sich selbst unter Hochvakuumbedingungen innerhalb von Sekunden eine Oxidschicht bilden. Dies hat Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe. Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit besteht daher darin, die Auswirkungen von Oxidschichten auf die mechanischen Eigenschaften von Metallen zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt darauf liegt, wie Oxide die plastische Verformungsphase von Werkstoffen beeinflussen. Unser Ziel ist es, die Erkenntnisse, die wir aus dem Verständnis dieser Prozesse auf atomarer Ebene gewinnen, für praktische Anwendungen auf der größeren Mesoskala zu nutzen. Wichtige Forschungsergebnisse: • Veränderungen der mechanischen Eigenschaften: Großskalige Molekulardynamiksimulationen haben gezeigt, dass nanoskalige Oxidschichten einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Aluminium und Titan haben. Die Oxidschicht auf beiden untersuchten Werkstoffen weist eine erhöhte Sprödigkeit auf. Die mechanischen Eigenschaften von Titan und Aluminium werden durch die Oxidschichten signifikant beeinflusst, indem diese den Nukleationsprozess verändern und die Versetzungsbewegung verhindern. Andererseits zeigen Aluminium-Nanoschäume und Nanodrähte, die einer Oxidation unterzogen wurden, eine vergrößerte Zahl von Al-O-Bindungen, was zu einer erhöhten Duktilität führt. • Übergang zur Mesoskala: In dieser Arbeit untersuchten wir Indentations- und Nanoscratching als Fallstudien. Mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen analysierten wir verschiedene Materialien, einschließlich hochentropischer Legierungen im Nanomaßstab. Darüber hinaus verwendeten wir den Ansatz der diskreten Versetzungsdynamiksimulationen, um entsprechende Modelle auf die Mesoskala zu übertragen. In hochentropischen Legierungen ist die Größe der verzwillingten Regionen in der plastischen Zone für die einzelnen Elemente am größten, während sie für die Legierungen abnimmt. Wir zeigen, dass die chemische Verbindung einen wesentlichen Einfluss auf die Bildung von Versetzungen hat.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Thermodynamic dislocation theory: application to bcc-crystals. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 29(1), 015003.
Le, K. C.; Dang, S. L.; Luu, H. T. & Gunkelmann, N.
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Data-mining of dislocation microstructures: concepts for coarse-graining of internal energies. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 29(3), 035005.
Song, Hengxu; Gunkelmann, Nina; Po, Giacomo & Sandfeld, Stefan
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Molecular dynamics simulations of the machining of oxidized and deoxidized titanium work pieces. Results in Surfaces and Interfaces, 9, 100085.
Homann, Simon; Luu, Hoang-Thien & Merkert, Nina
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Nanoindentation in alumina coated Al: Molecular dynamics simulations and experiments. Surface and Coatings Technology, 437, 128342.
Luu, Hoang-Thien; Raumel, Selina; Dencker, Folke; Wurz, Marc & Merkert, Nina
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Multiple Scratching: An Atomistic Study. Tribology Letters, 71(2).
Alabd, Alhafez Iyad; Kopnarski, Michael & Urbassek, Herbert M.
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Scratching a soft layer above a hard substrate. Philosophical Magazine, 103(15), 1411-1422.
Alabd, Alhafez Iyad; Kopnarski, Michael & Urbassek, Herbert M.
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Simulated nanoindentation into single-phase fcc FexNi1-x alloys predicts maximum hardness for equiatomic stoichiometry. Scientific Reports, 13(1).
Alabd, Alhafez Iyad; Deluigi, Orlando R.; Tramontina, Diego; Ruestes, Carlos J.; Bringa, Eduardo M. & Urbassek, Herbert M.
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Statistical analysis of discrete dislocation dynamics simulations: initial structures, cross-slip and microstructure evolution. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 31(7), 075003.
Demirci, Aytekin; Steinberger, Dominik; Stricker, Markus; Merkert, Nina; Weygand, Daniel & Sandfeld, Stefan
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Nanoindentation into a bcc high-entropy HfNbTaTiZr alloy—an atomistic study of the effect of short-range order. Scientific Reports, 14(1).
Alhafez, Iyad Alabd; Deluigi, Orlando R.; Tramontina, Diego; Merkert, Nina; Urbassek, Herbert M. & Bringa, Eduardo M.
