Segregation of interstitial impurities at grain boundaries in transition metals : electronic structure calculations

Abstract

In general the macroscopic properties of polycrystalline materials and hence their potential technological applications are crucially influenced by the behaviour of their microstructural interfaces. The cohesion at these grain boundaries affects the hardness, deformability and toughness of the material and it can be enhanced or decreased by segregated impurities. In this context, it is essential to understand interfacial cohesion and impurity segregation in detail, and it is vital to investigate the relationship between these microscopic features and the macroscopic properties in order to find general rules describing the latter. Knowing these rules will enable us not only to understand but also to some extent manipulate the material properties. In this work the influence of the interstitial impurities B, C, N, O, and H on the interfacial cohesion and structure of a special grain boundary in the body-centered cubic transition metals Nb and Mo is investigated by means of ab-initio calculations. The method is based on the local-density-functional theory (LDFT) and uses the mixed-basis pseudopotential approach. The analysis of interface energies and geometric translation states, site-projected densities of states and bonding electron densities yields systematic trends according to the valence configuration of the involved elements. In a continuated study the influence of a MoC precipitate at the Mo grain boundary on the atomic structure and the material's properties is investigated. This investigation facilitates the interpretation of high-resolution transmission-electron-microscopy (HRTEM) images of the investigated grain boundary. Within this part of the work the limits of a sensible use of the ab-initio method are reached. Thus, in the last part of the thesis, the possibilities of describing the Mo-C system by a semi-empirical tight-binding model and of fitting the models free parameters to ab-initio data of different bulk phases of molybdenum carbides and semicarbides are discussed.

Die makroskopischen Eigenschaften polikristalliner Materialien, und damit ihre moegliche technologische Anwendung, werden wesentlich beeinflusst vom Verhalten mikrostruktureller Grenzflaechen. Die Kohaesion an diesen Korngrenzen wirkt sich auf die Haerte, Deformierbarkeit und Festigkeit des Materials aus und sie kann von segregierten Verunreinigungen erhoeht oder reduziert werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Grenzflaechenkoheasion und Segregation von Verunreinigungen im Detail zu verstehen. Es ist wesentlich, den Zusammenhang zwischen diesen mikroskopischen Charakteristika und den makroskopischen Eigenschaften zu verstehen, um allgemeine Gesetzmaessigkeiten zu finden, die diesen beschreiben. Die Kenntnis dieser Regeln wird es ermoeglichen, die Materialeigenschaften nicht nur zu verstehen, sondern bis zu einem gewissen Grad auch zu manipulieren. In dieser Arbeit wird der Einfluss der interstitiellen Verunreinigungen B, C, N, O und H auf die Grenzflaechenkohaesion und die Struktur einer speziellen Korngrenze in den kubisch-raumzentrierten Uebergangsmetallen Nb und Mo mit Hilfe von ab-initio Rechnungen untersucht. Die verwendete Pseudopotentialmethode basiert auf der Dichtefunktionaltheorie in lokaler Naeherung und benutzt eine gemischte Basis. Die Analyse von Grenzflaechenenergien, geometrischer Translationszustaende, platz-projizierten Zustandsdichten und Bindungselektronendichten deckt einen eindeutigen, mit der Valenzkonfiguration der beteiligten Elemente verknuepften Trend auf. In einer weiterfuehrenden Studie wird der Einfluss einer MoC-Ausscheidung an der Mo Korngrenze auf die atomare Struktur und die Materialeigenschaften untersucht . Diese Untersuchung traegt u.a. zur Interpretation von hochaufloesenden Transmissions-Elektronenmikroskopie Bildern desselben System bei. Im Rahmen dieser Untersuchung stoesst man an die Grenzen des sinnvollen Einsatzbereichs der ab-initio Methode. Daher werden im letzten Teil der Arbeit die Moeglichkeiten diskutiert, das System Kohlenstoff-Molybdaen mit einem semi-empirischen Tight-Binding Modell zu beschreiben und die freien Parameter des Modells an ab-initio Daten zu verschiedenen einkristallinen Molybdaenkarbiden und -semikarbiden anzufitten.