First-principles investigations of solid solution strengthening in Al alloys

Ma, Duancheng; Raabe, Dierk

doi:999910310815

First-principles investigations of solid solution strengthening in Al alloys = Ab-initio-Untersuchung der Mischkristallhärtung von Al-Legierungen

Ma, Duancheng (Author)

2012

VerantwortlichkeitsangabeDuancheng Ma

ImpressumAachen : Shaker 2012

UmfangVI, 306 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-8440-0892-0

ReiheBerichte aus der Materialwissenschaft

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40911
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/82898/files/4091.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ab-initio-Rechnung (Genormte SW) ; Mischkristall (Genormte SW) ; Aluminiumlegierung (Genormte SW) ; Dichtefunktionalformalismus (Genormte SW) ; Mischkristallhärtung (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Mechanische Eigenschaft (Genormte SW) ; Stoffgesetz (Genormte SW) ; Quantenmechanik (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; Al-Mg (frei) ; Al-Cu (frei) ; Al-Li (frei) ; Al-Zn (frei) ; Al-Ca (frei) ; Al-Sr (frei) ; Al-Ir (frei) ; Ashby maps (frei) ; alloy design (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500
pacs: 31.15.A-

Kurzfassung
Im Prinzip können alle Materialeigenschaften mit Ab-initio-Rechnungen reproduziert oder vorhergesagt werden. Heutzutage liegen uns jedoch hochkomplexe Legierungszusammensetzungen und Prozesse vor. Aufgrund begrenzter Rechenleistung können daher nicht alle der dabei auftretenden komplexen Phänomene vollständig beschrieben werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die in der Anwendung bedeutsame Fragestellung der Mischkristallverfestigung auf einfache Weise zu untersuchen. Das effiziente Schema soll eine schnelle und zuverlässige Voraussage der Mischkristallverfestigung ermöglichen. Die Vereinfachung besteht dabei darin, dass die Hauptparameter der Mischkristallverfestigung, nämlich die Atomvolumina der beteiligten Elemente und die unterschiedlichen elastischen Moduli, rechnergestützt vorhergesagt werden. Die Atomvolumina und die elastischen Moduli wurden mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnet und in ein linear-elastisches Model eingesetzt. Sieben binäre Aluminium-Mischkristalle wurden untersucht (Al-X, X=Ca, Sr, Ir, Cu, Mg, Li und Zn). Die ermittelten Verfestigungspotentiale der gelösten Elemente durch den vereinfachten Ansatz wiesen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen aus Experimenten und anderen direkten DFT-Rechnungen auf. Es wurde auch beobachtet, dass sowohl die ausschlaggebenden Parameter zur Mischkristallverfestigung als auch die Verfestigung einem Trend im Periodensystem der Elemente folgen. Die Abweichung im Atomvolumen der Legierungselemente korreliert mit den Lösungsenthalpien der behandelten binären Al-Legierungen. Dies erlaubt die Abschätzung des optimalen Atomvolumens, durch das eine größtmögliche Verfestigung an der Löslichkeitsgrenze erreicht wird. Ein anderes Ziel der Arbeit war, die Mischkristallverfestigung im Hinblick auf den elektronischen Hintergrund besser zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde die durch die Legierungselemente hervorgerufene Änderung in der elektronischen Struktur eingehend untersucht. Die Abhängigkeit des Verfestigungseffekts von diesen Änderungen, sowie der Einfluss der Superzellgrösse wird in diesem Zusammenhang erörtert. Alle in dieser Arbeit errechneten Eigenschaften wurden in Materialeigenschafts- und Materialdesign-Diagramme nach Ashby eingetragen. Die Eigenschaften der untersuchten binären Al-Mischkristalle, welche durch die benannten Diagramme abgebildet werden, stimmen mit deren aktuellen Anwendungen überein. Obwohl Ca, Sr und Ir eine größere Verfestigung in Al bewirken als andere untersuchte Legierungselemente, verbessern sie die Eigenschaften von Al nicht in jeder Hinsicht.

Any material properties, in principle, can be reproduced or predicted by performing firstprinciples calculations. Nowadays, however, we are dealing with complex alloy compositions and processes. The complexities cannot be fully described by first-principles, because of the limited computational power. The primary objective of this study is to investigate an important engineering problem, solid solution strengthening, in a simplified manner. The simplified scheme should allow fast and reliable prediction of the solid solution strengthening. It is simplified by capturing the key features of the solid solution strengthening, namely the volume and modulus mismatch. Those two quantities are calculated by density functional theory (DFT) and inserted into the linear elasticity models. Seven Al binary solid solutions were investigated (Al-X, X=Ca, Sr, Ir, Cu, Mg, Li and Zn). The calculated strengthening effects of the solute elements by this simplified approach are in very reasonable agreement with what is observed in the experiments and another direct DFT calculation. It is also observed that the decisive parameters of the solid solution strengthening follow a trend on the periodic table, so does the strengthening effect. The volume mismatch parameters are correlated with the solubility enthalpies of the studied Al binary solid solutions. This correlation allows to estimate the optimal strengthening parameter to achieve the maximum strengthening at the solubility limit. Another objective is to better understand the solid solution strengthening from the electronic origin. This was tentatively investigated by observing the perturbation caused by the solute elements. It is observed that the perturbation can be correlated with the strengthening effect and the supercell size dependence. All the calculated materials properties in this thesis entered Ashby’s materials property and design charts. The performance of the studied Al binary solid solutions indicated by those charts reasonably coincides with their current applications. Although Ca, Sr and Ir cause larger strengthening effect in Al than other studied solute elements, they do not always help Al perform better in some tasks.

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