Atomistic modeling of grain boundaries and segregation in alpha iron

Viele Eigenschaften polykristalliner Werkstoffe werden durch Korngrenzen beeinflusst, wo sich bevorzugt Legierungs- und Verunreinigungsatome ansammeln (Korngrenzensegregation). In dieser Arbeit wurden mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) atomistische Simulationen für Korngrenzen von reinem Eisen und solche mit C und Mn Segregation durchgeführt, sowie der Effekt von C und Mn auf die Struktur, Energie und kohäsiven Eigenschaften der Korngrenze untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass die Wirkung von C und Mn auf Korngrenzen von ihrer Struktur abhängt. Beide Elemente scheinen die Energien von offenen (kompakten) Korngrenzen zu verringern (erhöhen). Während C die Korngrenzenkohäsion unabhängig von der Struktur verstärkt, hat Mn eine schwach versprödende (verstärkende) Wirkung auf kompakte (offene) Korngrenzen. Die repulsive Wechselwirkung zwischen Mn und C Atomen an Korngrenzen könnte eine mögliche Ursache für die Versprödungsempfindlichkeit von Stählen mit hoher Mn Konzentration sein.Many properties of polycrystalline materials are controlled by grain boundaries, which are preferential regions for impurity and alloying element segregation. In the present thesis, we carried out atomistic simulations for pure as well as C and/or Mn-segregated Fe grain boundaries and studied the effect of C and Mn on the grain boundary structures, energies and cohesive properties. It was found that the effect of C and Mn on the grain boundary properties depend on the grain boundary structures. Both segregants tend to decrease (increase) the energies of open (compact) grain boundaries. While C strongly enhances the grain boundary cohesion irrespective of structures, Mn has a weak embrittling (strengthening) effect on compact (open) grain boundaries. The repulsive interaction between Mn and C atoms at grain boundaries could be one possible reason for the susceptibility to temper embrittlement of steels with high Mn concentration