Atomistic modeling of the strengthening mechanisms in FCC and HCP metals

Esteban Manzanares, Gustavo (2019). Atomistic modeling of the strengthening mechanisms in FCC and HCP metals. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57251.

Description

Title: Atomistic modeling of the strengthening mechanisms in FCC and HCP metals
Author/s:
  • Esteban Manzanares, Gustavo
Contributor/s:
  • Segurado Escudero, Javier
  • Llorca Martinez, Francisco Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El endurecimiento por precipitatación es uno de los mecanismos más eficaces para mejorar el límite elástico de aleaciones metálicas. El movimiento de las dislocaciones es impedido por la presencia de una distribución homogénea de precipitados intermetálicos de tamaño nanométrico, lo que conlleva el aumento de la tensión de cizalla en el plano de deslizamiento para rebasar este obstáculo. Los precipitados de gran tamaño (> 50 nm) son rebasados formando un lazo de Orowan y diversas investigaciones han estudiado en detalle los mecanismos de interacción entre la dislocation y el precipitado usando modelos continuos. Estos modelos se apoyan en la interacción elástica entre la línea de la dislocación y el precipitado. Los precipitados más pequeños suelen ser cizallados por las dislocaciones y los mecanismos de endurecimiento asociados (químicos, fallos de apilamiento, diferencias en las constantes elásticas, deformaciones de coherencia y orden) son mas difíciles de cuantificar. Además, las hipótesis del continuo no se pueden aplicar en el caso de precipitados muy pequeños, como las zonas de Guinier-Preston. El estudio de los mecanismos de interacción entre precipitados de pequeño tamaño (< 20 nm) y dislocaciones puede realizarse mediante estrategias de simulación atomística, basadas estática o dinámica molecular y técnicas para identificar caminos de mínima energía. Sin embargo, su correcta aplicación es complicada y necesita superar varias dificultades: selección del potencial interatómico adecuado, desarrollar metodologías robustas para calcular la barrera de energía, extrapolación de los resultados atomísticos a las velocidades de deformación típicas de las aplicaciones en ingeniería, etc. Esta tesis doctoral está dirigida al desarrollo de nuevas metodologías de simulacion atomistística para estudiar la superación de estos obstáculos, de modo que puedan utilizarse en un futuro para desarrollar nuevas aleaciones metálicas endurecidas por precipitación. En esta tesis doctoral se estudian tres problemas diferentes. El primero es la interacción de dislocaciones con zonas de Gunier-Preston en aleaciones de Al-Cu mediante simulaciones de mecánica molecular. Una nueva estrategia de estática molecular en combinación con relajación térmica se ha usado para simular la cizalla de las zonas de Guinier-Preston por las dislocaciones y las funciones termodinámicas que determinan la interacción entre ambas se obtuvieron mediante simulaciones atomísticas en combinación con la teoría de transiciones de estado. Esta información se usó para estimar la tensión crítica de cizalla en función de la temperatura y la velocidad de deformación, que se comparó con los resultados experimentales. El segundo problema abordado es el deslizamiento cruzado de dislocaciones helicoidales. Este es otro mecanismo mediante el cual las dislocaciones pueden superar un precipitado y, además, juega un papel importante en la formación de redes de dislocaciones. El método de la banda elástica se ha usado para determinar la barrera de energía para el deslizamiento cruzado en ausencia de energía térmica, mientras que la probabilidad de deslizamiento cruzado se determinó mediante dinámica molecular en función de la tensión de Schmid en el plano de deslizamiento cruzado y de las tensiones de Escaig en los planos de deslizamiento y de deslizamiento cruzado en Al. Como resultado se postuló y validó una expresión de la barrera de energía libre para el deslizamiento cruzado en función de las tensiones de Schmid y Escaig. Finalmente, las simulaciones atomísticas se usaron para la estudiar la interacción de dislocaciones basales con precipitados _-Mg17Al12 en aleaciones Mg-Al. Se ha desarrollado una estrategia para insertar precipitados con intercaras semicoherentes en la matriz metálica asegurando que la estructura de la intercara es cercana a la de mínima energía. Se descubrió que las dislocaciones inicialmente sobrepasan al precipitado por la formación de una lazo de Orowan que es capaz de penetrar en el precipitado. Las sucesivas dislocaciones que alcanzan el precipitado dan lugar finalmente a la cizalla del mismo a lo largo del plano (110), paralelo al plano basal del Mg. Este mecanismo se ve favorecido debido a que el plano basal (0001) del Mg es paralelo al plano (110) del precipitado y este proceso es muy probable que ocurra en otras aleaciones de Mg y puede ser responsable de la limitada capacidad de endurecimiento por precipitación de las aleaciones de Mg. ----------ABSTRACT---------- Precipitate strengthening is one of the most efficient mechanisms to increase the yield strength of metallic alloys. Dislocation glide is hindered by the presence of a homogeneous dispersion of nm-sized intermetallic precipitates, and higher critical resolved shear stresses have to be applied on the slip plane to overcome the precipitate. Large precipitates (> 50 nm) are normally overcome by the formation of Orowan loops. In this case, the mechanisms of dislocation/precipitate interaction have been extensively analyzed in the past by means of continuummodels based on the elastic interactions of the dislocation line with the precipitate. Smaller precipitates are often sheared by the dislocations and the associated strengthening mechanisms (chemical, stacking fault, elastic mismatch, coherency strains, and order) are more difficult to quantify. Moreover, the continuum hypothesis breakdown in the case of very small precipitates, such as Guinier-Preston zones. Classical atomistic simulations, based on either molecular statics or dynamics and path sampling methods, are another type of strategies that can be used to analyze the interaction mechanisms between dislocations and precipitates in the case of small precipitates (< 20 nm). Nevertheless, their application is not straightforward and requires to overcome several challenges: selection of the appropriate interatomic potential, building atomistic models with realistic interfaces between the precipitate and the metallic matrix, development of robust methodologies to calculate the energy barrier in the case of very rough energy landscapes, extension of the atomistic results to the typical strain rates of most engineering applications, etc. This doctoral thesis was aimed at developing methodologies to tackle these problems, so classical atomistic simulations can be eventually used to design novel precipitate-strengthened metallic alloys. Three different problems were analyzed in this thesis. The first one was the interaction of dislocations with Guinier-Preston zones in an Al-Cu alloy by means of molecular mechanics simulations. A novel molecular statics - thermal annealing strategy was used to simulate the shearing of the Guinier-Preston zones the dislocations and the thermodynamic functions that control the dislocation/precipitate interaction were obtained from atomistic simulations in combination with transition state theory. This information was used to estimate the critical resolved shear stress as a function of temperature and strain rate, which was compared with experimental results in the literature. Dislocation cross-slip is another mechanism to overcome the precipitates and it is also important to simulate the formation of dislocation networks during deformation. The nudged elastic band method was employed to determine the activation energy barrier for dislocation cross-slip in the absence of thermal energy, while the cross slip rate was determined by molecular dynamics as a function of the Schmid stress on the cross-slip plane, and of the Escaig stresses on the cross-slip and glide planes in Al. Based on these results, an analytical expression of the activation free energy barrier for cross-slip in Al as a function of the Schmid and Escaig stresses was developed and validated. Finally, atomistic simulations were used to evaluate the interaction of basal dislocations with _-Mg17Al12 precipitates in Mg-Al alloys. A strategy was developed to insert a lozenge-shaped Mg17Al12 precipitate with Burgers orientation relationship within the Mg matrix in an atomistic model ensuring that the matrix/precipitate interfaces were close to minimum energy configurations. It was found that the dislocation bypassed the precipitate by the formation of an Orowan loop, that entered the precipitate. Within the precipitate, the dislocation was not able to progress further until more dislocations overcome the precipitate and push the initial loop to shear the precipitate along the (110) plane, parallel to the basal plane of Mg. This process was eventually repeated as more dislocations overcome the precipitate in agreement with experimental observations and indicate that precipitate shearing by basal dislocations in Mg-Al alloys is favored because the (0001) Mg basal plane is parallel to the (110) crystallographic plane of the precipitate. This process is likely to occur for other precipitates in Mg and is responsible for the limited precipitation hardening of Mg alloys.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Horizon 2020669141VIRMETALFUNDACION IMDEA MATERIALESVirtual Design, Virtual Processing and Virtual Testing of Metallic Materials

More information

Item ID: 57251
DC Identifier: http://oa.upm.es/57251/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57251
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57251
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 18 Nov 2019 08:34
Last Modified: 18 Nov 2019 08:34
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