Deformation of metallic multilayers: an atomistic study of the relationship between structure and deformation mechanisms

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