Forschung

SS 2015

WS 2014/2015

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Dislokationsbewegung und Scherverhalten

Dislokationen (Versetzungen) sind linienförmige Defekte in kristallinen Materialien. Ihre Bewegung unter einer angelegten Spannung ist von großer Bedeutung für das mechanische Verhalten von Metallen. Bewegliche Dislokationen erlauben es, unter geringem Energieaufwand ein Metall plastisch zu verformen. Umgekehrt können Defekte wie Korngrenzen oder Fremdatome die Bewegung von Dislokation behindern, was die plastische Verformbarkeit des Metalls reduziert. Dies ist einer der Gründe, warum für viele Zwecke Stahl verwendet wird, und nicht reines Eisen.

Quasikristalle sind zwar nicht periodisch geordnet, aber immerhin quasiperiodisch und somit den Kristallen nicht ganz unähnlich. Es ist deshalb nicht uninteressant, die Bedeutung der Dislokationen für das mechanische Verhalten auch von Quasikristallen zu untersuchen. Dazu werden unter anderem Schersimulationen durchgeführt, mit denen man Dislokationen ins System einführen und diese unter der angelegten Spannung zur Wanderung bringen kann.

Die ersten Schersimulationen am ITAP wurden 1993 von Ralf Mikulla an Approximanten des zweidimensionalen binären Tilings durchgeführt. Eine Probe von 2770 Atomen wurde in ein inneres Gebiet und zwei starre Randstreifen unterteilt, die in jedem Scherschritt um wenige Prozent eines Atomabstandes verschoben wurden. Danach erfolgte eine Relaxation der Probe.

Bild Schersimulation

Das erste Bild zeigt die Konfiguration kurz nach Einsetzen der plastischen Deformation. Eingezeichnet sind die Verbindungslinien nächster Nachbarn verschiedenen Typs. Die Versetzung kann durch Betrachten von Linien, die Zentren von 10-Sternen verbinden, identifiziert werden. Im von der Versetzung durchquerten Bereich sind diese Linien unterbrochen: der Teil oberhalb der Gleitlinie ist um den Burgersvektor verschoben. Die Versetzung hat einen Stapelfehler, die Phasonenwand, zurückgelassen. Dieser ist an den schraffierten Bereichen erkennbar, innerhalb derer es nicht möglich war, das Tiling zu rekonstruieren.

1995 wurden die Untersuchungen auf dreidimensionale Quasikristalle ausgedehnt. Christian Dilger simulierte die Scherung von Approximanten des binären ikosädrischen Tilings. Dabei konnten die Entstehung von Versetzungen in einer defektfreien Probe sowie deren Bewegung beobachtet werden. Des weiteren wurden mit einem verallgemeinerten Volterraprozess eine Versetzung eingebaut. Als Burgersvektor wurde dabei ein Quasigittervektor gewählt. Die Probengröße betrug bis zu 22815 Atome.

In drei Dimensionen kann die Visualisierung der Ergebnisse nicht einfach durch Zeichnen der Atome erfolgen. Dilger erzeugte Schrägprojektionen der Konfigurationen entlang Achsen hoher Symmetrie (Bild links). Damit sind die Versetzungskerne erkennbar. Außerdem konnte die Position der Versetzungslinie mit Burgersumläufen bestimmt werden (Bild rechts).

Bild Schersimulation Bild Schersimulation

Weitere Simulationen an Proben des binären ikosädrischen Tilings mit bis zu 1,5 Mio Teilchen wurden 1998 von Gunther Schaaf durchgeführt. Dazu wurde eine Versetzung durch Aufprägen eines Verschiebungsfeldes nach Peierls-Nabarro eingeprägt. Die Burgersvektoren wurden aus einer Energiebetrachtung (Gammaoberfläche nach Vitek, nächstes Bild links) bestimmt. Um die Versetzung sichtbar zu machen, wurden nur jene Atome gezeichnet, deren potentielle Energie die mittlere potentielle Energie pro Atom deutlich überstieg (nächstes Bild rechts). Dadurch kann die Versetzung und der von ihr zurückgelassene Stapelfehler sichtbar gemacht werden.

Bild Schersimulation Bild Schersimulation

In Molekulardynamiksimulationen im mikrokanonischen Ensemble konnte nach Aufbringen einer Scherdeformation die Bewegung der Versetzung beobachtet werden, wie im diesem Film zu sehen ist.