Mehrskalige Modellierung der Plastizität in ternären feuerfesten W-Mo-Nb-Legierungen über den breiten Temperaturbereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Refraktärmetalle spielen eine wichtige Rolle in der Werkstoffwissenschaft und -technik, insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Refraktärlegierungen (RL) ist ihre besondere, stark temperaturabhängige Plastizität. Trotz der zahlreichen technischen Anwendungen wird das theoretische Verständnis und die Beschreibung der Plastizität von Refraktärlegierungen über einen weiten Temperaturbereich noch aktiv diskutiert. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Plastizitätsmodells, das das mechanische Verhalten von hochschmelzenden Metallen und Legierungen ohne empirische Anpassung an experimentelle Daten beschreiben und vorhersagen kann. Vier Hauptergebnisse dieses Projektes können unterschieden werden: (1) Entwicklung eines neuen klassischen interatomaren Potentials für W-Mo-Nb, das ausschließlich auf DFT- Berechnungen basiert, (2) Untersuchung der Diffusionseigenschaften in reinen Metallen und Legierungen einschließlich der Diffusion entlang von Versetzungen ("pipe-Diffusion"), (3) Berechnung der Versetzungsbeweglichkeit als Funktion von Temperatur und Spannung in reinen Metallen und komplexen Legierungen, (4) Berechnung der Temperaturabhängigkeit von Fließspannung und Aktivierungsvolumen für reine Metalle (Nb, Mo, W) und komplexe Legierungen (Nb-25Mo, W-28Mo, WMoNb). Das entwickelte interatomare Potential kann viele wichtige Eigenschaften reiner Metalle und komplexer konzentrierter Legierungen mit guter Genauigkeit reproduzieren. Die veröffentlichten Arbeiten lieferten eine detaillierte Validierung dieses Potentials und einen Vergleich mit fünf verfügbaren interatomaren Modellen für hochschmelzende Legierungen (sowohl klassische als auch auf maschinellem Lernen basierende Modelle). Die durchgeführte Validierung zeigt die hohe Übertragbarkeit des entwickelten Potentials. Insbesondere wird die Anwendbarkeit des entwickelten Modells durch die Untersuchung der Diffusionskoeffizienten von Atomen in verdünnten und komplexen Refraktärlegierungen demonstriert. Mit Hilfe einer großskaligen atomistischen Simulation wurden die Versetzungsgeschwindigkeiten für athermische und thermisch aktivierte Regime berechnet. Die Studie zeigte ein starkes Nicht-Arrhenius-Temperaturverhalten der Schraubenversetzungsmobilität, insbesondere für komplexe Legierungen. Es wurde gezeigt, dass eine genaue Berechnung der Versetzungsmobilitätsfunktion die Vorhersage der gemessenen Plastizitätseigenschaften in einem weiten Temperaturbereich mit ausreichender Genauigkeit ermöglicht. Die in der Arbeit berechneten Eigenschaften stimmen bei Temperaturen über 150-200 K für Nb-, Mo- und Nb-25Mo-Legierungen gut mit den gemessenen Daten überein. Für W wurde eine gute Übereinstimmung bei Temperaturen über 400 K erzielt. Andererseits liegt die Fließspannung bei Nulltemperatur nahe bei den DFT-Vorhersagen. Somit ermöglicht die Berechnung der Mobilitätsfunktionen in großskaligen Simulationen den Abgleich der gemessenen Eigenschaften bei endlichen Temperaturen mit der Ab-initio-Berechnung bei Nulltemperatur. Darüber hinaus reproduziert der vorgeschlagene Ansatz die Existenz eines temperaturunabhängigen Plateaus in der Temperaturabhängigkeit der Fließspannung für komplex konzentrierte Legierungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optimized interatomic potential for atomistic simulation of Zr-Nb alloy. Computational Materials Science, 197, 110581.
Starikov, S. & Smirnova, D.
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Atomistic simulations of pipe diffusion in bcc transition metals. Acta Materialia, 260, 119294.
Starikov, Sergei; Jamebozorgi, Vahid; Smirnova, Daria; Drautz, Ralf & Mrovec, Matous
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Disordering complexion transition of grain boundaries in bcc metals: Insights from atomistic simulations. Acta Materialia, 261, 119399.
Starikov, S.; Abbass, A.; Drautz, R. & Mrovec, M.
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Angular-dependent interatomic potential for large-scale atomistic simulation of W-Mo-Nb ternary alloys. Computational Materials Science, 233, 112734.
Starikov, Sergei; Grigorev, Petr & Olsson, Pär A.T.
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Large-scale atomistic simulation of diffusion in refractory metals and alloys. Physical Review Materials, 8(4).
Starikov, Sergei; Grigorev, Petr; Drautz, Ralf & Divinski, Sergiy V.
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Dislocation mobility function as a key to understanding plasticity of refractory metals and alloys. Computational Materials Science, 246, 113411.
Starikov, S.
