Atomistische Simulation der Mischkristallverfestigung in Eisen
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die molekulardynamische Simulation der Mischkristallverfestigung von Eisen. Die Verfestigung von Eisen durch die Zulegierung von substitutionellen und interstitiellen Fremdatomen wurde durch Simulation der Versetzungsbewegung in einem Eisenkristall mit Zufallsverteilungen sowie mit speziellen Konfigurationen von Fremdatomen simuliert. Es wurde ein Detektionsalgorithmus zur Bestimmung der Lage von Versetzungen während der Simulation implementiert, der es erlaubt die Gleitbewegung einer Versetzung im Detail zu untersuchen. Die Mischkristallverfestigung durch Cu- und Ni-Fremdatomen wurde für verschiedene Konzentrationen bestimmt. Es wurde gefunden, dass die Bewegung von Stufenversetzungen durch Ni-Atome im Unterschied zu Cu-Atomen fast nicht behindert wird. Auch die kritische Schubspannung fürdie Versetzungsbewegung ist, im Einklang mit dem Experiment, für Cu-legiertes Eisen deutlich höher als im Falle von Ni. Interstitielle C-Atome in Eisen stellen wesentlich stärkere Hindernisse für die Gleitbewegung dar als substitutionelle Cu-Atome. Die Verfestigung erreicht dabei Werte wie sie auch im Experiment gefunden werden. Um die Mechanismen der Mischkristallverfestigung zu untersuchen wurde durch Konstruktion eines speziellen Wechselwirkungspotenzials ein Modellsystem verwendet, bei dem durch Wahl der Potenzialparameter die Gitterkonstante und der Schubmodul des Zulegierungsmaterials verändert werden konnten. Insbesondere konnten Fremdatome verwendet werden, die sich gegenüber Eisen nur durch den Schubmodul bzw. nur durch den Wert der Gitterkonstante unterscheiden. Auf diese Weise wurde gefunden, dass ein Material mit einem kleineren Schubmodul als Eisen eine größere Verfestigung bewirkt als ein Material mit größerem Schubmodul. Ebenfalls wurde gefunden, dass ein Material mit einer größeren Gitterkonstante als Eisen Versetzungen stärker behindert als ein Material mit kleinerer Gitterkonstante. Die Projektergebnisse legen nahe, dass das Thema in Zukunft wieder aufgegriffen wird. Mögliche Anwendungen sind die Vorausberechenbarkeit der Mischkristallverfestigung von Fe und die Ausweitung auf weitere Werkstoffe, wie z.B. Al.
