Atomistic dynamics of crack propagation in complex metallic alloys

Abstract

The failure of solid matter is familiar to us from everyday life. A broken dish or a shattered glass is annoying. The breakage of a ship or an airplane hull, however, can cost human lives. Nevertheless, insight into the fundamental mechanisms leading to fracture has been gained only within the last couple of years. One reason for this is that fracture is a multi-scale phenomenon. A macroscopic external strain is directed to the crack tip, where it breaks atomic bonds. Thus, to understand fracture mechanisms in macroscopic devices, one also has to know the processes on the atomic scale. These are hardly accessible by experiments, in particular when dynamic aspects are the center of interest. They are also not included in the classical elastic theory of fracture. Computer simulations have proven to be a useful tool to examine fracture processes on an atomic level. In molecular dynamics simulations the trajectories of the atoms are calculated by integration of Newtons equations of motion. Numerical experiments with simple crystal structures and model interactions reveal phenomena that are related to the discrete nature of matter and therefore cannot be explained by continuum theories. In more complex systems the mechanisms are not yet clear. In the current work two extreme cases of complex metallic alloys are investigated. The model quasicrystal is built-up mainly from atomic clusters. Due to the aperiodic long-range order, no unit cell exists. A major building block of the quasicrystal can also be used to obtain a periodic Friauf-Laves compound. The Friauf-Laves phases are topologically close-packed binary structures and form a huge class of intermetallic compounds. Among them are many candidates for high-temperature use. However, their brittleness at low and ambient temperature limits applications. Molecular dynamics simulations are performed to examine this brittle behavior at low temperature. First, model potentials are applied to qualitatively probe the influence of the underlying structure on crack propagation. In a second step, a specific Friauf-Laves compound is chosen. Interatomic potentials are constructed, which reproduce quantities obtained by quantum-mechanical calculations. Systematic fracture simulations then are performed.

Der Bruch fester Materie geschieht durch die Ausbreitung von Rissen und ist uns aus dem Alltag vertraut. Ein zerbrochener Teller oder ein zerschlagenes Glas ist lästig. Versagt dagegen der Rumpf eines Schiffes oder der eines Flugzeuges, kann dies Menschen das Leben kosten. Gleichwohl wurde erst in den letzten Jahren Einblick in die grundlegenden Mechanismen gewonnen, die zum Versagen von Festkörpern durch Rissbildung führen. Ein Grund hierfür ist, dass Bruch ein Multi-Skalen-Phänomen darstellt. Eine makroskopisch von außen angelegte Spannung wird an der Rissspitze verstärkt. Daraufhin werden atomare Bindungen gebrochen. Um Bruchmechanismen makroskopischer Bauteile zu verstehen, wird somit die Kenntnis von Prozessen auf atomarer Ebene benötigt. Diese sind durch heutige experimentelle Techniken kaum zugänglich, insbesondere dann nicht, wenn dynamische Aspekte im Mittelpunkt des Interesses stehen. Solche Prozesse sind auch in der klassischen Elastizitätstheorie des Bruchs nicht berücksichtigt. Computersimulationen haben sich als nützliches Hilfsmittel zur Untersuchung atomarer Vorgänge erwiesen. In Molekulardynamik-Simulationen werden die Bahnen der Atome durch Integration der Newton'schen Bewegungsgleichungen berechnet. Numerische Experimente mit einfachen Kristallstrukturen und Modellwechselwirkungen lassen Effekte erkennen, für die der diskrete Aufbau der Materie verantwortlich ist. Kontinuumstheorien sind daher nicht geeignet, die erwähnten Phänomene zu erklären. Die Vorgänge in komplexeren Festkörpern sind bis heute noch nicht vollständig verstanden. Um einen Einblick in die grundlegenden Mechanismen zu erhalten, wird in der vorliegende Arbeit das Bruchverhalten komplexer metallischer Verbindungen bei tiefen Temperaturen mit Hilfe der Molekulardynamik untersucht.