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Dislocation modeling in face-centered cubic metals : from atomistics to continuum = Modellierung von Versetzungen in kubisch flächenzentrierten Metallen : von der Atomistik bis zum Kontinuum
2016 & 2017
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017
Genehmigende Fakultät
Fak05
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-19
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-006119
DOI: 10.18154/RWTH-2017-00611
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/682056/files/682056.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/682056/files/682056.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
- Lehrstuhl für Werkstoffmechanik (525510)
- Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dislocation modeling (frei) ; atomistic simulation (frei) ; continuum (frei) ; plasticity (frei) ; metals (frei) ; face-centered cubic (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In dieser Dissertation werden Versetzungen in kubisch flächenzentrierten (kfz) Kristallen auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen untersucht, von atomistischen Berechnungen bis hin zu Kontinuumsmodellen. Die Temperaturabhängigkeit der freien Energie von Stapelfehlern (SFFE) für Fe wird unter Verwendung der thermodynamischen Integration (TI) und einer Referenz für freie Energie- Modelle für Feststoffe berechnet, die auf der quasi-harmonischen Näherung basiert. Die zugrundeliegende Molekülardynamik (MD) Simulationen basieren auf dem Bindungsordnungspotential für Fe nach Müller et al. (2007). Die SFFE von Fe bei 0 K wurde als −20 mJ/m2 berechnet. Das negative Vorzeichen resultiert aus der Instabilität der kfz-Phase bei dieser Temperatur. Die SFFE steigt mit zunehmender Temperatur und wird positiv bei etwa 200 K - bei dieser Temperatur ist die kfz- Phase metastabil. Abhängig von der Systemgröße liegt die SFFE für Fe zwischen 5.5 und 9.1 mJ/m2 bei 298 K und erhöht sich bei 1000 K auf 70-80 mJ/m2. Als nächstes wird die Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Stapelfehlern bei niedrigen Temperaturen mit Hilfe von MD untersucht. Die observierten Interaktionstypen in Cu umfassen die Vernichtung, das Eindringen und Wachstum von Versetzungen. Von besonderer Bedeutung ist die Schrauben-Stufen-Eigenschaft der Partialversetzung und die Tatsache, dass der Schraubenanteil leichter quergleitet als sein Stufen Gegenstück. Das Zusammenspiel gekrümmter Versetzungen mit Zwillingskristallen wird als nächstes mit MD untersucht. In zwei der in der Ebene liegenden Scherrichtungen wird ein ruckartiger Spannungsfluss beobachtet. Bei näherer Untersuchung kann das ruckartige Verhalten auf die schnellen Bewegung von Zwillingsgrenzen zurückgeführt werden. Als nächstes werden die Peierls-Nabarro (PN) und Volterra (V) Versetzungs Modelle zur Beschreibung von versetzungs vermittelten Bulk Zwillingkeim und Wachstum eingesetzt. Insbesondere wird der dynamische Ansatz zur Modellierung variabler Versetzungstrennung in Zwillingen verwendet. In diesem Zusammenhang weisen Versetzungen den geringsten Abstand an der Zwillingsspitze auf. Das Phasenfeldmodell zur Modellierung von Versetzungen basiert insbesondere auf der Grundlage der periodischen Mikroelastizität nach (Wang et al. 2001, Bulatov & Cai 2006, Wang & Li 2010). Die stark nichtlokale elastische Wechselwirkung der Versetzungslinien wird über die Restspannungsfelder modelliert. Der Energiespeicher wird dabei auf der Basis des ”Schnittstelle” Energiekonzepts und dem Modell nach Cahn & Hilliard (1958) (siehe auch Allen & Cahn 1979, Wang & Li 2010) modelliert. Der derzeitige Ansatz wird angewandt, um die freie Energie des Phasenfeldmodells für Al- und Cu zu bestim- men. Die identifizierten Modelle werden anschließend zur Modellierung von Versetzungs Dissoziation, Stapelfehlerbildung und dem Gleiten von Versetzungen in diesen Materialien verwendet. Der Transport und das Aufstauen (pile-up) unendlicher diskreter Versetzungswände unter nicht-lokaler Interaktion und externer Belastung wird ebenfalls untersucht. Das zugrundeliegende Modell für die Versetzungswand-Wechselwirkungen beruht auf dem nicht-singuläre PN-Modell. Der Einfluss der stark nichtlokalen (SNL; Langstrecken) Interaktion und seine schwach nichtlokale Annäherung (WNL; kurzer Reichweite) wird untersucht. Das pile-up Verhalten auf Basis der aktuellen SNL- Modell steht im Einklang mit dem Verhalten der diskreten Wandverteilungsmodellierung (z.B.., Roy et al. 2008, de Geus et al. 2013). Beide Ansätze weichen wesentlich von dem pile-up Verhalten WNL-basierter kontinuierlicher Wandverteilungsmodellierung (z.B.., Dogge 2014, Chapter 2) ab.Dislocations in fcc crystals are studied here in several length and time scale regimes starting from atomistic calculations up to continuum models. Temperature-dependence of the stacking fault free energy (SFFE) for Fe is calculated utilizing the thermodynamic integration and a reference free energy model for solids based on the quasi-harmonic approximation. The underlying molecular dynamics (MD) simulation is based on the bond order potential for Fe of Mueller et al. (2007). The SFFE of Fe at 0 K is calculated to be −20 mJ/m2, negative due to the fact that the fcc phase is unstable at this temperature. The SFFE increases with temperature and becomes positive at around 200 K. Depending on system size, an SFFE for Fe between 5.5 and 9.1 mJ/m2 is obtained at 298 K, increasing to between 70 and 80 mJ/m2 at 1000 K. Next, the interaction between dislocations and stacking faults at low temperatures is studied with the help of MD. Observed interaction types in Cu include annihilation, penetration, and growth. Of particular importance is the mixed screw-edge character of the partial dislocations involved and the fact that the screw part cross slips more easily than its edge counterpart. The interaction of curved dislocations with twinned crystal is also studied with MD. In two of the in-plane shear loading directions, jerky stress flow is observed. Upon closer investigation, the jerky behavior is related to the fast motion of twin boundary. Next, the Peierls-Nabarro (PN) and Volterra (V) dislocation models are employed for dislocation-mediated bulk twin nucleation and growth. The dynamic model is applied to the modeling of variable dislocation separation in the twin. In this context, dislocations are closest together at the twin tip and increase in separation away from the tip. The phase field model for dislocation is based on periodic microelasticity (Wang et al. 2001, Bulatov & Cai 2006, Wang & Li 2010) to model the strongly non-local elastic interaction of dislocation lines via their (residual) strain fields. The energy storage is modeled here with the help of the ”interface” energy concept and model of Cahn & Hilliard (1958) (see also Allen & Cahn 1979, Wang & Li 2010). The current approach is applied to determine the phase field free energy for Al and Cu. The identified models are then applied to simulate dislocation dissociation, stacking fault formation, glide and dislocation reactions in these materials. Transport and pile-up of infinite discrete dislocation walls driven by non-local interaction and external loading is also studied. The underlying model for dislocation wall interaction is based on the non-singular PN model. The influence of strongly non-local (SNL; long-range) interaction, and its approximation as weakly non-local (WNL; short-range), are studied. The pile-up behavior predicted by the current SNL-based continuous wall distribution modeling is consistent with that predicted by discrete wall distribution modeling (e.g., Roy et al. 2008, de Geus et al. 2013). Both deviate substantially from the pile-up behavior predicted by WNL-based continuous wall distribution modeling (e.g., Dogge 2014, Chapter 2).
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019276314
Interne Identnummern
RWTH-2017-00611
Datensatz-ID: 682056
Beteiligte Länder
Germany
