Einfluss von Oxidschichten auf die plastischen Eigenschaften von Metallen

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.

Veränderungen der mechanischen Eigenschaften

Großskalige Molekulardynamiksimulationen haben gezeigt, dass nanoskalige Oxidschichten einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Aluminium und Titan haben. Die Oxidschicht auf beiden untersuchten Werkstoffen weist eine erhöhte Sprödigkeit auf. Die mechanischen Eigenschaften von Titan und Aluminium werden durch die Oxidschichten signifikant beeinflusst, indem diese den Nukleationsprozess verändern und die Versetzungsbewegung verhindern. Andererseits zeigen Aluminium-Nanoschäume und Nanodrähte, die einer Oxidation unterzogen wurden, eine vergrößerte Zahl von Al-O-Bindungen, was zu einer erhöhten Duktilität führt.

Übergang zur Mesoskala

In dieser Arbeit untersuchten wir Indentations- und Nanoscratching als Fallstudien. Mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen analysierten wir verschiedene Materialien, einschließlich hochentropischer Legierungen im Nanomaßstab. Darüber hinaus verwendeten wir den Ansatz der diskreten Versetzungsdynamiksimulationen, um entsprechende Modelle auf die Mesoskala zu übertragen. In hochentropischen Legierungen ist die Größe der verzwillingten Regionen in der plastischen Zone für die einzelnen Elemente am größten, während sie für die Legierungen abnimmt. Wir zeigen, dass die chemische Verbindung einen wesentlichen Einfluss auf die Bildung von Versetzungen hat.

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• Prof. Dr. Nina Merkert