Beschreibung
|
|
Kupferbasislegierungen spielen eine wichtige Rolle in technischen Anwendungen. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer werden sie besonders häufig im Bereich der Elektrotechnik eingesetzt. Auch eine hohe Festigkeit ist in diesen Anwendungen oft erwünscht (z.B. bei Steckverbindern). Während die Festigkeit durch Fremdatome und Ausscheidungen gesteigert werden kann, führen in der Matrix gelöste Fremdatome zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit. Eine Herausforderung in der Entwicklung neuer Kuperbasislegierungen besteht darin das Material im Hinblick auf Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit zu optimieren.
Die kinetische Monte-Carlo-Methode ermöglicht die Simulation der Ausscheidungsbildung. Es entstehen realitätsnahe Strukturen mit komplexen Ausscheidungsstrukturen und in der Matrix gelösten Fremdatomen. Mit Molekulardynamiksimulationen wird die Festigkeit der erhaltenen Strukturen bestimmt. Hierzu werden Zug- und Scherversuche simuliert und dabei die Wechselwirkung von Versetzungen mit Ausscheidungen und Fremdatomen untersucht. Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit sowie der elektronischen Eigenschaften der Grenzflächenstrukturen erfolgt mit Ab-initio-Berechnungen.
Stand der Forschung
Aus experimentellen Untersuchungen sind einige Kupferbasislegierungen mit hoher Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bekannt. Sie unterscheiden sich in chemischer Zusammensetzung, Form, Größe und Kohärenz der enthaltenen Ausscheidungen. Eine besonders hohe Festigkeit weisen beispielsweise Legierungen mit scheibenförmigen Ni2Si- [1] oder Be-Ausscheidungen [2] auf, während sich im Hinblick auf eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit Ag als Legierungelement eignet, das im Kupfer kugelförmige bzw. oktaedrische Ausscheidungen bildet [3]. Weitere Legierungselemente wie z.B. Al, Mg oder Cr können zu einer Verbesserung der Materialeigenschaften führen [4].
Während bisher kaum atomistische Simulationen mit diesen Materialsystemen durchgeführt wurden, gibt es einige Arbeiten in Eisenbasislegierungen in denen gezeigt wird, dass sich die kinetische Monte-Carlo-Methode zur Simulation der Ausscheidungsbildung eignet [5,6]. Die Molekulardynamiksimulation ist eine etablierte Methode zur Festigkeitsbestimmung mittels simulierten Zug- und Scherversuchen, auch hierzu gibt es Arbeiten zu Eisen mit Kupferausscheidungen [7].
Literatur
[1] Zhao, D.; Dong, Q.M.; Liu, P.; Kang, B.X.; Huang, J.L.; Jin, Z.H.: Aging behaviour of Cu-Ni-Si alloy. Material Science and Engineering A361, pp. 93-99 (2003).
[2] Monzen, R.; Seo, T.; Sakai, T; Watanabe, C.: Precipitation processes in a Cu-0.9mass% Be single crystal. Materials Transactions 47, pp. 2925-2934 (2006).
[3] Miyazawa, T; Fujii, T.; Onaka, S.; Kato, M.: Shape and elastic state of nano-sized Ag precipitates in a Cu-Ag single crystal. Journal of materials science 46, pp. 4228-4235 (2011).
[4] Lei, Q.; Li, Z; Xiao, T.; Pang, Y.; Xiang, Z.Q.; Qiu, W.T.; Xiao, Z.: A new ultrahigh strength Cu-Ni-Si alloy. Intermetallics 42, pp. 77-84 (2013).
[5] Soisson, F.; Barbu, A.; Martin, G.: Monte Carlo simulations of copper precipitation in dilute iron-copper alloys during thermal aging and under electron irradiation. Acta materialia 44, pp. 3789-3800 (1996).
[6] Hocker, Stephen; Binkele, Peter; Schmauder, Siegfried: Precipitation in α-Fe based Fe-Cu-Ni-Mn-alloys: behaviour of Ni and Mn modelled by ab initio and kinetic Monte Carlo simulations.
Applied Physics A 115, pp. 679-687 (2014).
[7] Molnar, David ; Binkele, Peter; Hocker, Stephen; Schmauder, Siegfried: Atomistic multiscale simulations on the anisotropic tensile behaviour of copper-alloyed α-iron at different states of thermal ageing. Philosophical Magazine 92, pp. 586-607 (2012).