Atomistic simulation of shock waves : from simple crystals to complex quasicrystals

Abstract

This habilitation thesis describes molecular dynamics simulations of solids. The impact of shock waves on a number of solids is studied: In the first part binary icosahedral quasicrystals and Laves crystals are treated, in the second part monatomic dodecagonal quasicrystals and body centered cubic crystals are dealt with. The third part contains studies of intermediate phases and solitons which show up in the body centered cubic crystals if shocked along a three-fold axis.

In all cases three ranges of different behavior are observed: if the shock waves are weak, elastic deformations occur, in a medium range elastic and plastic waves or phase transitions are observed. If the shock waves are strong, the initial structures are completely destroyed.

In this work we are concerned especially with the range of medium strong shock waves. For the binary crystal structure fragmentation occurs. The emerging crystallites are rotated with respect to each other and separated by boundary layers which are several atomic distances thick. The main difference between crystal and quasicrystal are phason-like defects which lead to a continuous transition between the range of weak and medium shock waves. For the monatomic crystal structures the Dzugutov potential has been applied to stabilize the structures. Here we find in the range of medium shock waves phase transitions from quasicrystals and approximants to the body centered cubic structure. Depending on the orientation and strength of the shock waves the transition takes places within a few atomic layers or spread out across many layers. In the quasicrystal and the approximants atomic flips are observed in the elastically compress region.

Body centered cubic crystals possess an inherent instability along the three-fold axes. In many materials, this leads to a phase transition to the so-called omega-phase. In our case the omega-phase is stable only in a small range of compression, thus a forth- and back-transformation from body centered cubic to the omega-phase takes place, as long as the phase transition front moves slower than the speed of sound. If this is no longer the case, solitons shock up which contain in their interior.

In summary several differences could be observed between crystals and quasicrystals. The results obtained for the Dzugutov potentials are comparable to the outcome of simulation of shock waves in iron with materials-specific interactions.

Diese Habilitationsschrift beschreibt Molekulardynamiksimulationen an Festkörpern. Es wird die Auswirkung von Stoßwellen auf eine Anzahl von Festkörpern untersucht: Im ersten Teil werden binär ikosaedrische Quasikristalle und verwandte Laves-Phasen behandelt, im zweiten Teil monoatomar zwölfzählige Quasikristalle und kubisch innenzentrierte Kristalle. Der dritte Teil handelt von intermediären Phasen und Solitonen, die in den innenzentrierten Kristallen bei Stoßwellen in dreizähligen Symmetrierichtungen auftreten.

In allen Fällen gibt es drei Bereiche unterschiedlichen Materialverhaltens: bei schwachen Stoßwellen findet man elastische Deformationen, in einem mittleren Bereich elastische und plastische Deformation bzw. Phasenübergänge. Im Bereich starker Schockwellen werden die Ausgangsstrukturen amorphisiert.

In der Arbeit wird insbesondere der Bereich mittelstarker Stoßwellen genauer untersucht. Bei den binären Kristallstrukturen beobachtet man eine Fragmentierung, wobei die entstehenden Kristallite gegeneinander verdreht sind und mehrere Atomlagen dicke Grenzflächen entstehen. Der Hauptunterschied zwischen Quasikristall und Kristall sind phasonartige Defekte, die zu einem kontinuierlichen Übergang zwischen dem Bereich schwacher und mittelstarker Schockwellen führen. Bei den monoatomaren Kristallstrukturen wurde das Dzugutov-Potential verwendet, um die Struktur zu stabilisieren. Hier beobachtet man im Bereich mittelstarker Stoßwellen Phasenübergänge von den Quasikristallen und Approximanten hin zu innenzentriert kubischen Kristallen. Je nach Orientierung und Stärke der Stoßwellen findet der Phasenübergang innerhalb weniger Atomlagen oder aber kontinuierlich über den Bereich vieler Atomlagen statt. Bei Quasikristallen und Approximanten treten im elastisch komprimierten Bereich atomare Flips auf.

Innenzentrierte kubische Kristalle besitzen einen inhärente Instabilität entlang der dreizähligen Achsen. Dies führt bei vielen Materialien zu einem Phasenübergang in einen sogenannte omega-Phase. In unserem Fall ist die omega-Phase nur in einem kleinen Kompressionsbereich stabil, so dass einen Hin- und Rücktransformation zwischen omega- und innenzentriert kubischer Phase stattfindet, solange die Phasenumwandlung sich langsamer als die Schallgeschwindigkeit ausbreitet. Wird die Schallgeschwindigkeit überschritten, so entstehen Solitonen, die im Innern die omega-Phase enthalten.

Zusammenfassend konnten einige Unterschiede zwischen einfachen Kristallstrukturen und Quasikristallen beobachtet werden. Die Simulationen mit dem Dzugutov-Potential lieferten Ergebnisse, die vergleichbar sind zu Resultaten, die mit speziell angepassten Eisen-Wechselwirkungen erzielt wurden.