Simulation of Nucleation and Growth of GP-Zones in Al-Cu-Alloys
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt sollte das komplexe Ausscheidungsverhalten metastabiler Phasen im System Al-Cu atomistisch auf der Basis von ab-initio-Daten und quantitativ richtig simuliert werden. Hierzu wurden etablierte Simulationsmethoden (Dichtefunktionaltheorie, Monte-Carlo-Simulation) mit einer vermeintlich etablierten Theorie (Mikroelastizitätstheorie nach Khacharturyan oder Cook und de Fontaine) verknüpft. Dabei zeigte sich, dass letztere Theorie einen Fehler enthält. Dieser bewirkte, dass das simulierte Ausscheidungsverhalten fundamental von dem Verhalten realer Proben abwich. Spezielle Tests zeigten, dass die Simulationen auch in vereinfachten, analytisch verstehbaren Fällen zu falschen Ergebnissen führten. Die Suche nach der Ursache für die anfangs unsinnigen Simulationsergebnisse brachte schließlich den oben genannten Fehler in der zugrundeliegenden verwendeten Theorie zutage. Dabei wurde gleichzeitig eine neue, korrigierte Version der Mikroelastizitätstheorie (MET) abgeleitet. Diese bedeutet einen ganz erheblichen Erkenntnisgewinn für alle zukünftigen Arbeiten, in denen elastische und atomistische Effekte gleichzeitig betrachtet werden (müssen). Denn ohne eine korrekte Berücksichtigung der Elastizität wären alle Bemühungen um quantenmechanisch genaue Vorhersagen bedeutungslos. Die Tragfähigkeit der neuen Methode wurde nachgewiesen, und es wurde gezeigt, dass sie im wesentlichen alle elastischen Aspekte der Elastizität (Größenfehlpassung, Modulfehlpassung, Ansiotropie) richtig erfassen kann. Speziell wurden die Bedingungen für den Übergang zwischen kugel- und plattenförmigen Ausscheidungen untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass die Bildung plattenförmiger Partikel für Lösungselemente mit starker Größenabweichung vom Hauptelement der Legierung kein Sonderfall, sondern der Normalfall ist. Gleichzeitig wurde deutlich, dass anstelle der "Größenabweichung" lieber die atomaren Bindungslängen zur Charakterisierung der Legierung herangezogen werden sollten, da nur dann alle linear- elastischen Eigenheiten erfasst werden. Neben dem oben beschriebenen homogenen Ausscheidungsverhalten wurde auch der heterogene Fall, also die Ausscheidung in Gegenwart von Versetzungen untersucht. Letztere erhöhen einerseits die Diffusion im Material (pipe diffusion) und stellen andererseits bevorzugte Keimorte für die Entstehung von Ausscheidungen dar. Aus Simulationen der Diffusion im Volumen und im Versetzungskern konnte eine Gesetzmäßigkeit dafür abgeleitet werden, wie die Temperaturabhängigkeit der Fremddiffusion im Versetzungskern zusammengesetzt ist. Dies ist zur Vorhersage der Ausscheidungskinetik in Abhängigkeit von Temperatur und Versetzungsdichte von großer Bedeutung. Des weiteren wurde die Nukleation von Ausscheidungen an Versetzungen simuliert; erwartungsgemäß sagten diese Simulationen den Beginn des Ausscheidungsprozesses vorzugsweise am Versetzungskern voraus. Sie zeigten aber auch, dass die simulierte Versetzung mit zunehmendem Wachstum der Partikel (genauer: der Guinier-Preston-Zonen Typ I) dazu neigte, eine Zickzack-Form anzunehmen. Dieser anfangs überaschende, aber verstehbare Befund konnte anschließend auch im Transmissionselektronenmikroskop nachgewiesen werden. Er verdeutlicht, dass nicht nur die Versetzungen das Ausscheidungsverhalten stark beeinflussen, sondern umgekehrt auch die Versetzungsstruktur durch die Guinier-Preston-Zonen (oder auch andere Partikel) beeinflusst wird. Die Übereinstimmung mit den nachträglich ausgeführten Experimenten darf als Beispiel für das Potential atomistischer Simulationen für Vorhersagen gelten. Die neu entwickelte Mikroelastizitätstheorie (MET) stellt eine solide und wichtige Basis für zukünftige Arbeiten dar, in denen sowohl atomistische Effekte als auch elastische Spannungen wichtig sind. Neben der Simulation von Ausscheidungsphänomenen könnten hier beispielsweise auch Simulationen von Fremdatom-Segregation an Versetzungen und Kleinwinkelkorngrenzen profitieren. Im Zuge der Suche nach dem Fehler in der bisherigen MET wurden Monte-Carlo- (MC) mit Molekularstatik- (MS) Simulationen kombiniert. Diese kombinierte Methode erwies sich als sehr erfolgreich und flexibel, und wird daher auch in zukünftigen Projekten Verwendung finden, beispielsweise im Teilprojekt A6 des SFB 761. Die neu erarbeitete Gesetzmäßigkeit für Fremddiffusion im Versetzungskern kann in analytischen Abschätzungen oder statistischen Simulationsprogrammen dazu genutzt werden, die Abhängigkeit der Ausscheidungsprozesse (Bildung, Wachstum, Reifung) von der Versetzungsdichte, d.h. dem Verformungszustand eines Materials genauer zu beschreiben. Ferner können diese Ergebnisse zu einer verbesserten Vorhersage von Ausscheidungsvorgängen in AI-Legierungen dienen, die für die Entwicklung neuer Legierungen in der Al-Industrie von Bedeutung sind.
Publications
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Scripta Mat. 51 (2004), 665-669
Q. S. Wang, M. Schneider, H. Q. Ye, G. Gottstein
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Defect and Diffusion Forum 249 (2006), 47-54
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Acta Mater. 55 (2007), 3397-3401
L.S. Shvindlerman, E. Jannot, G. Gottstein
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Proc. of 10th Int. Aachen Welding Conf ASTK (2007), Ed. U. Reisgen et al., Shaker Verlag Aachen, p. 151-160
V. Mohles, E. Jannot, C. Schäfer, G. Gottstein
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Acta Mater 56 (2008), 4998-5011
D.M. Kirch, E. Jannot, L.A. Barrales-Mora, D.A. Molodov, G. Gottstein
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Study of the effect of dislocations on precipitation kinetics by means of atomic simulations. Dissertation, RWTH Aachen, Inst. für Metallkunde und Metallphysik (2008)
E. Jannot
