Deformation of metallic multilayers: an atomistic study of the relationship between structure and deformation mechanisms
Creators: name: Gola, Adrien
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019

description: Die mechanischen Eigenschaften von mehrlagigen metallischen Laminaten unterscheiden
sich von homogenen Metallen, da diese durch die Eigenschaften der Grenzflächen zwischen
den Schichten bestimmt werden. Der Einfluss der Grenzflächen steigt, wenn die Schichtdicke
auf der Nanoskala reduziert wird. In dieser Arbeit werden die zwei mehrlagigen metallischen
Materialien, Cu1−xAgx|Ni und Cu|Au untersucht. Beide werden entlang der [111]-Achse ihrer
kfz-Gitter gestapelt. Diese Systeme bilden semikohärente Grenzflächen mit Netzwerken von
partiellen Shockley-Versetzungen, die in einem regelmäßigen Dreiecksmuster angeordnet sind.
Die beiden Systeme bieten Alternativen zur Feinabstimmung der Grenzflächeneigenschaften.
Das Cu1−xAgx|Ni-System verwendet das Legierungselement Ag um die Gitterfehlanpassung
präzise einzustellen. Das Cu|Au-System ist ein vollständig mischbares binäres System. Somit
ist das Laminat eine metastabile Form des Systems, die zwangsläufig zu einer Mischung an
der Grenzfläche führt.
Molekulardynamik (MD) und Monte-Carlo-Methoden wurden verwendet, um die Struktur
und die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Die
Berechnungen wurden für verschiedene Geometrien und Belastungsbedingungen durchgeführt,
von repräsentativen Volumenelementen bis hin zu realistischen Geometrien wiezum Beispiel
der Kompression eines Nanopillars oder von Kratzversuchen auf Nanoebene. Mit Hilfe von
großen MD-Berechnungen konnten Systemgrößen erreicht werden, die direkt mit Experimenten
vergleichbar sind.
Ag bietet sich als Kandidat für die Legierung im Cu|Ni-Binärsystem an, da es lediglich in Cu
löslich ist und daher nur die Cu-Schichten verändern sollte. Das Zulegieren von Ag zur Cu-
Schicht erhöhte die Fehlanpassung des CuAg Gitters bezüglich des Ni-Gittern und erhöhte
damit die Versetzungsdichte Grenzfläche. Der Überschuss an Ag in der Cu-Schicht fällt an
bevorzugten Stellen des Versetzungsnetzwerks der Grenzfläche aus. Die Molekulardynamiksimulationen
zeigten, dass diese Modifikationen die Stärke der Cu1−xAgx|Ni-Systeme erhöhten. Dieses
Modell zeigt, dass die Verwendung eines gut gewählten Legierungselements in einem binären
Mehrschichtsystem ein Weg ist, um die Festigkeit des Systems unter verschiedenen
Lastbedingungen einzustellen.
Für das Cu|Au-System wurde ein EAM-Potential entwickelt und mit bereits vorhandenen
EAM-Potentialen verglichen. Dieses neue Potential ermöglicht es, sowohl die unären als
auch die stabilen binären Phasen dieses Binärsystems erfolgreich zu beschreiben. Die Untersuchung
der Grenzfläche des Cu|Au-Systems ergab, dass die Struktur und die Grenzfläche sehr
empfindlich auf die Vermischung zwischen den beiden Spezies reagiert, wobei die Scherfestigkeit
der Grenzfläche mit der Vermischung stark ansteigt.
Weitere Molekulardynamiksimulationen haben gezeigt, dass dieses System empfindlich auf
Defekte und Heterogenitäten in seiner Struktur reagiert. So führt zum Beispiel tribologische
Belastung zur Bildung von Wirbelinstabilitäten in dem Laminat und Oberflächenfehler
können zur Bildung von Scherbändern und darauf folgendem katastrophalen Versagen
der Strukturen führen. Die Beobachtung und das Verständnis der Wirkung von Defekten
auf die mechanische Antwort von Mehrschichtsystemen kann somit zu einem besseren
Materialdesign führen.