Atomistische Modellierung und Computersimulation der Ostwald-Reifung von Ausscheidungen beim Einsatz von kupferhaltigen Stählen

Abstract

Atomistische Monte-Carlo-Simulationen der Bildung und des Wachstums von Ausscheidungen leisten einen wichtigen Beitrag zu einem tiefgehenden physikalischen Verständnis der thermischen Alterung in kupferlegierten Stählen. Diese Arbeit hat zum Ziel, die Bildung kohärenter Ausscheidungen im kubisch-raumzentrierten Eisen auf atomarer Ebene mithilfe von Monte-Carlo-Algorithmen numerisch zu modellieren, Simulationen des Wachstums der Ausscheidungen durchzuführen sowie den Einfluss dieser Partikel auf das Werkstoffverhalten der Stähle zu berechnen. Die Diffusion von Atomen auf einem festen kubisch-raumzentrierten Kristallgitter wurde hierzu mittels eines thermisch aktivierten Leerstellenmechanismus beschrieben.

Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfasssen:

Das entwickelte Computerprogramm ermöglicht die Simulation der Diffusion auf atomarer Ebene und liefert detaillierte Einblicke in die Kinetik der Bildung und des Wachstums von Ausscheidungen.

Die zeitabhängige Radienverteilung der entstandenen Ausscheidungen wurde für ein Fe-Cu-Modellsystem berechnet und mit der theoretischen Verteilung nach Lifshitz, Slyozov und Wagner (LSW) verglichen. Die Simulationen bestätigen das LSW-Zeitgesetz für Ostwald-Reifung.

Mithilfe der Ergebnisse einer realitätsnahen Simulation des Systems Fe-Cu wurde die durch die Ausscheidungen verursachte zeitabhängige Spannungserhöhung (Materialverfestigung) berechnet. Hierfür wurde die Theorie von Russel und Brown verwendet.

Im Rahmen der Simulationen des Systems Fe-Cu-Ni-Mn wurde die Schalenstruktur der Cu-Ni-Mn-Ausscheidungen gefunden sowie die Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Ausscheidungsbildung untersucht.

Atomistic Monte Carlo simulations of the formation and growth of precipitates promote a profound physical understanding of thermal ageing in copper alloyed steels. The aim of this work is to model the formation of coherent precipitates in body-centered cubic iron with the aid of a Monte-Carlo algorithm and therewith to perform simulations of the growth of precipitates and to calculate the influence of the precipitates on the material behaviour of the steels. The diffusion of atoms on a fixed body-centered cubic crystal lattice has been described by means of a thermally activated vacancy mechanism.

The results can be summarized as follows:

The computer program enables the simulation of diffusion on the atomistic scale and provides a detailed insight in the kinetics of the formation and growth of precipitates.

For a Fe-Cu model system the time-dependent radii distributions of the simulated precipitates have been calculated and compared to the theoretical Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) distribution. The simulations confirm the LSW time law for Ostwald ripening.

Using the results of a simulation of the system Fe-Cu, the time-dependent increase of stress (material hardening), caused by copper precipitates has been calculated. The basis of these calculations is the theory of Russel and Brown.

Within the scope of simulations of the system Fe-Cu-Ni-Mn the shell structure of the Cu-Ni-Mn-precipitates has been found. The time-dependence and the temperature-dependence of the formation of the precipitates has been calculated as well.