Defects and their influence on mechanical properties in nitrides: an atomistic study

Titel in Übersetzung: Defekte und ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Nitriden: eine atomistische Studie

Lukas Löfler

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Übergangsmetallnitrid-Dünnschichten werden häufig als Schutzschichten von Bauteilen die in harschen Umgebungen zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel in beim Zerspanen oder in Turbinen. Die große Nachfrage an solchen Bauteilen treibt eine umfangreiche Forschungstätigkeit zur Verbesserung von H ̈arte, Festigkeit, thermischer Stabilität, sowie Widerstand gegen Verschleiß, Oxidation und Korrosion. Ein Weg zur Manipulation von Materialeigenschaft ist die gezielte Einbringung von Punktdefekten, eine andere ist eine sorgfältig gewählte Mikrostruktur wie zum Beispiel mehrschichtige Systeme. In dieser Arbeit wurden atomistische Simulationen auf Basis von Dichte Funktional Theorie (DFT) und Molekulardynamik (MD) durchgeführt um den Einfluss von Mikrostruktur und Defekten auf die mechanischen Eigenschaften von kubischen ̈Übergangmetallsnitrid-Dünnschichten zu untersuchen. Atomistische Simulationen geben die Möglichkeit Phänomene und Prozesse zu studieren die in Experimente nicht oder nur schwer zugänglich sind. Mit Hilfe von DFT Simulationen konnten wir demonstrieren, dass Leerstellen in dem MoAlN System die metastabile Phase von MoN stabilisieren und die mechanischen Eigenschaften für niedrige Al Konzentrationen verbessern. Die Rolle der Mikrostruktur wurde anhand von AlN/CrN, TiN/CrN und AlN/TiN Mehrlagensystemen untersucht. Die Bruchz ̈ahigkeit von AlN/CrN und TiN/CrN konnte mittels DFT Simulationen bestimmt werden. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit für eine explizite Beschreibung der Grenzfläche, da Näherungen (z.B. die Methode von Grimsditsh and Nizzoli) zu falschen Resultaten führen können. Es wurde demonstriert dass die magnetischen Momente in den einzelnen CrN Lagen keinen Effekt auf die Oszillationen des Gitterparmeters haben. Weiters wurde die nötige Energiebarriere um eine Zwillingsgrenze in CrN zu bewegen für verschiedene Prozesse berechnet. Dabei konnten wir einen asynchronen Prozess als den energetisch Bevorzugten bestätigen. Dieser resultiert in einer Stickstoff terminierten Zwillingsgrenze, welche auch experimentell beobachtet wurde. Folgend wurden Zug- und Nanoindentationversuche an AlN/TiN Mehrlagensystemen mittels Molekularerdynamik-Simulationen durchgef ̈uhrt. Durch die große Anzahl an Atomen in MD Simulationen konnten wir die Entstehung von Versetzungen, Phasentransformation und Rissen untersuchen. Wir demonstrierten eine Steigerung der Festigkeit durch Phasentransformation in den AlN Schichten mit kleiner Lagentdicke sowie eine Abhängigkeit des Versagensmechanismus an der Belastungsrichtung. Nanoindentation zeigte eine Vermischung der verschiedenen Lagen durch plastische Deformation, welche zu einer Schwächung der Mehrlagenstruktur führt.
Titel in ÜbersetzungDefekte und ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Nitriden: eine atomistische Studie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Cerny, Miroslav, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Mitbetreuer (extern)
  • Abadias, Gregory, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Holec, David, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Dünnschichten
  • Nitride
  • Keramiken
  • Dichtefunktionaltheorie
  • mechanische Eigenschaften
  • Defekte
  • Mehrlagensysteme
  • Bruchzähigkeit

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