Influence of oxide layers on the plastic properties of metals

In einer sauerstoffreichen Umgebung bildet sich in der Regel eine Oxidschicht auf Metalloberflächen aus. Für die korrekte Beschreibung der Versetzungsnukleation muss deshalb der Einfluss der Oxidation berücksichtigt werden. Dies ist vor allem für Materialien mit einem großen Oberfläche-zu-Volumen Verhältnis wie poröse Strukturen und sauerstoffaffinen Metalle wie Aluminium relevant. Bei letzterem bildet sich selbst unter Hochvakuumbedingungen binnen Sekunden eine Oxidschicht. Diese kann die mechanischen Eigenschaften von Materialien stark beeinflussen, was unter anderem auf gesteigerte Versetzungsbildung aufgrund eines erhöhten Aktivierungsvolumens für Versetzungen und einer erhöhten Zahl an Nukleationsstellen zurückzuführen ist. Für nanokristalline Metalle wird so eine erhöhte Duktilität festgestellt.

In diesem von der DFG geförderten Projekt sollen die Einflüsse der Oxidation auf die plastischen Eigenschaften von Metallen unter Berücksichtigung der grundlegenden Abhängigkeiten von Sauerstoffkonzentration und Temperatur mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen studiert werden.  Dabei liegt der Fokus auf der Versetzungsnukleation unter Berücksichtigung von Oxidschichten. Es soll der Übergang von erhöhter Duktilität auf der Nanoskala zu erhöhter Bruchwahrscheinlichkeit auf der Mesoskala in Abhängigkeit der Dicke und Morphologie der Oxidschicht untersucht werden. Die atomistischen Simulationen sollen verwendet werden, um die Effekte der Nukleation an oxidierten Oberflächen in mesoskopischen Versetzungssimulationen für dünne Schichten mittels eines stochastischen Modells zu implementieren. Damit soll ein physikalisch verlässliches Modell der Versetzungssimulation von oxidierten Oberflächen implementiert werden, das auf mit experimentellen Ergebnissen vergleichbaren Zeitskalen arbeitet.

Mechanical Property Alterations

Many different sets of molecular dynamics simulations and examinations have shown that nanoscale oxide layers have an impact on the mechanical properties of aluminum and titanium. The oxide layer on both of the assessed materials exhibits brittleness. Oxide layers have been shown to affect the overall mechanical characteristics of titanium and aluminum by modifying the nucleation process and preventing dislocation migration. On the other hand, aluminum nanofoams and nanowires that have undergone oxidation exhibit a substantial enhancement of Al-O bonds resulting in increased ductility.

Transition to Mesoscale

In this work, we examined the indentation and nanoscratching method as case studies. We analyzed various instances and materials, including high-entropy alloys at the nanoscale scale, using molecular dynamics simulations. On top of that, we employed the Discrete Dislocation Dynamics Simulations approach to build related models. In high-entropy alloys, the size of twinned regions in the plastic zone is greatest for the individual elements, but reduces for the alloys. We demonstrate that the chemical compound has a substantial impact on the buildup of dislocations.

• D. Thürmer, O. R. Deluigi, H. M. Urbassek, E. M.Bringa, N. Merkert. Atomistic Simulations of the Shock and Spall Behavior of the Refractory High-Entropy Alloy HfNbTaTiZr. High Entropy Alloys & Materials, DOI: 10.1007/s44210-024-00042-2, 2024.
• K. C. Le, S. L. Dang, H.-T. Luu and N. Gunkelmann. Thermodynamic dislocation theory: Application to bcc-crystals. MSMSE 29(1): 015003, 2021, DOI: 10.1088/1361-651X/abcb4e.
• H. Song, N. Gunkelmann, G. Po und S. Sandfeld. Data-mining of dislocation microstructures: concepts for coarse-graining of internal energies. MSMSE 29:035005, 2021, DOI: 10.1088/1361-651X/abdc6b.
• H.-T. Luu, S. Raumel, F. Dencker, M. Wurz and N. Merkert. Nanoindentation in alumina coated Al: Molecular dynamics simulations and experiments. Surf. Coat. Tech. 437:128342, 2022, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128342.
• S. Homann, H.-T. Luu, N. Merkert. Molecular dynamics simulations of the machining of oxidized and deoxidized titanium work pieces. Results Surf. Interfaces 9:100085, 2022, DOI: 10.1016/j.rsurfi.2022.100085.
• I. A. Alhafez, M. Kopnarski and H. M. Urbassek. Scratching a soft layer above a hard substrate. Philosophical Magazine, 2023, DOI: 10.1080/14786435.2023.2212983.
• I. A. Alhafez, M. Kopnarski and H.M. Urbassek. Multiple Scratching: An Atomistic Study. Tribol Lett 71: 46, 2023, DOI: 10.1007/s11249-023-01718-3.
• A. Demirci, D. Steinberger, M. Stricker, N. Merkert, D. Weygand und S. Sandfeld. Statistical analysis of discrete dislocation dynamics simulations: initial structures, cross-slip and microstructure evolutions. MSMSE 31:075003, 2023, DOI: 10.1088/1361-651X/acea39.
• I. A. Alhafez, O. R. Deluigi, D. Tramontina, C. J. Ruestes, E. M. Bringa and H. M. Urbassek. Simulated nanoindentation into single-phase fcc FexNi1-x alloys predicts maximum hardness for equiatomic stoichiometry. Sci Rep 13(1):9806, 2023, DOI: 10.1038/s41598-023-36899-3.
• I. A. Alhafez, O. R. Deluigi, D. Tramontina, N. Merkert, H. M. Urbassek and E. M. Bringa. Nanoindentation into a bcc high-entropy HfNbTaTiZr alloy – an atomistic study of the effect of short-range order. Sci. Rep. 14:9112, 2024, DOI: 10.1038/s41598-024-59761-6.

• Prof. Dr. Nina Merkert