Materials Center Leoben: Computational Materials Design

Thermodynamische Grundgrößen

Ab-initio Methoden auf Basis der Dichtefunktionaltheorie erlauben die Vorhersage von Materialeigenschaften aufgrund der chemischen Zusammensetzung und des Kristallgitters. So lässt sich die Wärmeausdehnung einer Legierung als Funktion der Zusammensetzung und der Temperatur [Razumovskiy2014, Bochkarev2016, Dengg2016] sehr gut vorhersagen. Das ermöglicht das Design neuer Legierungen mit gezielt eingestelltem Temperaturverhalten, um so thermomechanische Belastungen zu reduzieren und die Zuverlässigkeit von Bauteilen zu erhöhen.

Weiters können wir mit ab-initio Methoden die Bildung von Defekten (Leerstellen, Fremdatomen) als Funktion äußerer Bedingungen wie Druck und Temperatur vorhersagen [Razumovskiy2014, Razumovskiy2015, Ruban2016], was eine Auswirkung auf eine ganze Reihe von Materialgrößen hat, wie etwa mechanische Eigenschaften, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder Diffusion.

Mit den Methoden am neuesten Stand der Technik ist es auch möglich, Diffusionskoeffizienten für eine spezifische Materialzusammensetzung vorherzusagen [Ding2014, Muehlbacher2015, Bochkarev2016]. Schließlich erlauben ab-initio Rechnungen auch die Berechnung von Phasenstabilität und Phasenumwandlungen unter Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung und der magnetischen Struktur. Dafür werden ab-initio Rechnungen mit Methoden auf höheren Skalen verbunden, wie etwa der Cluster-Expansion Methode [Chakraborty2010, Sax2015], Monte-Carlo-Simulationen [Ruban2012, Gorbatov2013, He2016] oder der CALPHAD-Methode [Yeddu2012, Razumovskiy2014, Povoden-Karadeniz2015].

Mechanischen Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs werden durch die elastischen Eigenschaften, Gitterfehler wie Versetzungen und Stapelfehler sowie das Gefüge bestimmt. Mit ab-initio Rechnungen lassen sich die Grundlagen der mechanischen Eigenschaften auf atomarer Ebene sehr gut berechnen und für neue Legierungen vorhersagen, was neue Möglichkeiten für die Legierungsentwicklung am Computer ermöglicht.

Das MCL setzt Schwerpunkte im Bereich der atomistischen Grundlagen mechanischer Eigenschaften. Der erste Schwerpunkt liegt auf der möglichst genauen Bestimmung von elastischen Eigenschaften mit Ab-initio Methoden [Golesorkhtabar2012, Razumovskiy2011a], für die am MCL ein eigenes Tool entwickelt wurde [ElaStic]. In der Zwischenzeit ist es möglich, auch die Temperaturabhängigkeit des elastischen Tensors oder der makroskopischen elastischen Module mit Ab-initio Methoden vorherzusagen [Dengg2016a].

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Vorhersage der Eigenschaften von Gitterfehlern, die für die Duktilität eines Werkstoffs maßgeblich sind. Mit Hilfe von Methoden, die am MCL entwickelt wurden, lassen sich zum einen die Stapelfehlerenergien von Legierungen selbst in komplexen magnetischen Phasen bestimmen [SFE-Tool, Reyes-Huamantinco2012, Razumovskiy2016], zum anderen können wir die Symmetrie und Peierlsspannung von Schraubversetzungen als Funktion der chemischen Zusammensetzung von Legierungen vorhersagen [Romaner2010, Li2012, Romaner2014, Li2016].

Grenzflächendesign

Atomistisches Modellieren erlaubt einen direkten Einblick in die atomare Struktur und Zusammensetzung von Korngrenzen [Scheiber2016] und ermöglicht die Bestimmung von Segregationsprofilen und der Festigkeit von Korngrenzen in Metallen [Scheiber2015] ebenso wie die Untersuchung von mechanischen und elektronischen Eigenschaften von Phasengrenzen und Korngrenzen in Materialien für die Mikroelektronik [Popov2012].

Ein besonderer Schwerpunkt am MCL liegt in der Analyse von Korngrenzenfestigkeit unter dem Einfluss von Segregation. Anhand sogenannter High-Throughput-Rechnungen wird ermittelt, welche Legierungselemente an die Korngrenzen segregieren und wie Korngrenzenkohäsion dadurch beeinflusst wird. Das ermöglicht die Entwicklung von Legierungen mit stärker belastbaren Korngrenzen und somit höherer Festigkeit [Butrim2015, Li2015, Razumovskiy2015a, Scheiber2016, Scheiber2016a]. Die Aktivitäten auf diesem Gebiet haben am MCL zur Entwicklung einer speziellen Software zur Beschreibung von Korngrenzensegregation in Legierungen geführt [SEGROcalc].

Neben den Grenzflächen zwischen festen Phasen beschäftigen sich die ForscherInnen des MCL auch mit Oberflächen von Gassensormaterialien. In diesem Zusammenhang wird ausgehend von Ab-initio-Rechnungen die Adsorption von Molekülen auf Oxidoberflächen und deren Auswirkung auf die elektronischen Eigenschaften und die Leitfähigkeit des Materials untersucht.

Codeentwicklung

Die Entwicklung neuer Programme zur Berechnung von Materialeigenschaften aufgrund von Ab-initio Rechnungen bildet einen weiteren Schwerpunkt unserer Gruppe. Unter anderem sind bisher die Programme ElaStic, SFETool und SEGROCalc aus MCL-Projekten hervorgegangen. Zudem ist das MCL mit dem GreenALM Code in der Softwareentwicklung von DFT Methoden aktiv, die auf Greenschen Funktionen basieren und die insbesondere für die Berechnung von Legierungssystemen mit chemischer und magnetischer Unordnung geeignet sind.

Lesen sie mehr auf unseren Software-Seiten.

Referenzen

Thermodynamische Grundgrößen

[Bochkarev2016] A. S. Bochkarev, M. N. Popov, V. I. Razumovskiy, J. Spitaler and P. Puschnig, "Ab initio study of Cu impurity diffusion in bulk TiN", Phys. Rev. B 94 (2016), p. 104303
[Chakraborty2010] M. Chakraborty, J. Spitaler, P. Puschnig and C. Ambrosch-Draxl, "ATAT@WIEN2k: An interface for cluster expansion based on the linearized augmented planewave method", Comp. Phys. Comm. 181 (2010), p. 913-920
[Dengg2016] T. Dengg, L. Romaner, V. Razumovskiy, P. Puschnig and J. Spitaler, “Thermal expansion coeffcient of WRe alloys from first principles”, to be submitted
[Ding2014] H. Ding, V. I. Razumovskiy and M. Asta, "Self diffusion anomaly in ferromagnetic metals: A density-functional-theory investigation of magnetically ordered and disordered Fe and Co", Acta Materialia 70 (2014), p. 130 – 136
[Gorbatov2013] O. I. Gorbatov, I. K. Razumov, Y. N. Gornostyrev, V. I. Razumovskiy, P. A. Korzhavyi and A. V. Ruban, "Role of magnetism in Cu precipitation in alpha-Fe", Phys. Rev. B 88 (2013), p. 174113
[He2016] S. He, P. Peng, O. I. Gorbatov and A. V. Ruban, "Effective interactions and atomic ordering in Ni-rich Ni-Re alloys", Phys. Rev. B 94 (2016), p. 024111
[Muehlbacher2015] M. Mühlbacher, A. S. Bochkarev, F. Mendez-Martin, B. Sartory, L. Chitu, M. N. Popov, P. Puschnig, J. Spitaler, H. Ding, N. Schalk, J. Lu, L. Hultman and C. Mitterer, "Cu diffusion in single-crystal and polycrystalline TiN barrier layers: A high-resolution experimental study supported by first-principles calculations", Journal of Applied Physics 118 (2015), p. 085307
[Povoden-Karadeniz2015] E. Povoden-Karadeniz, P. Lang, F. Moszner, S. Pogatscher, A. Ruban, P. Uggowitzer and E. Kozeschnik, "Thermodynamics of Pd-Mn phases and extension to the Fe-Mn-Pd system", Calphad 51 (2015), p. 314 - 333
[Razumovskiy2011] V. I. Razumovskiy, A. V. Ruban and P. A. Korzhavyi, "Effect of Temperature on the Elastic Anisotropy of Pure Fe and Fe_0.9Cr_0.1 Random Alloy", Phys. Rev. Lett. 107 (2011), p. 205504
[Razumovskiy2014] V. Razumovskiy, A. Ruban, J. Odqvist, D. Dilner and P. Korzhavyi, "Effect of carbon vacancies on thermodynamic properties of TiC-ZrC mixed carbides", Calphad 46 (2014), p. 87 – 91
[Razumovskiy2015] V. Razumovskiy, M. Popov, H. Ding and J. Odqvist, "Formation and interaction of point defects in group IVb transition metal carbides and nitrides", Computational Materials Science 104 (2015), p. 147 – 154
[Ruban2012] A. V. Ruban and V. I. Razumovskiy, "First-principles based thermodynamic model of phase equilibria in bcc Fe-Cr alloys", Phys. Rev. B 86 (2012), p. 174111
[Ruban2016] A. V. Ruban, "Thermal vacancies in random alloys in the single-site mean-field approximation", Phys. Rev. B 93 (2016)
[Sax2015] C. R. Sax, B. Schönfeld and A. V. Ruban, "Effect of magnetism and atomic order on static atomic displacements in the Invar alloy Fe-27 at.% Pt", Phys. Rev. B 92 (2015), p. 054205
[Yeddu2012] H. K. Yeddu, V. I. Razumovskiy, A. Borgenstam, P. A. Korzhavyi, A. V. Ruban and J. Agren, "Multi-length scale modeling of martensitic transformations in stainless steels", ACTA MATERIALIA 60 (2012), p. 6508-6517

Mechanische Eigenschaften

[ElaStic]
[Golesorkhtabar2013] R. Golesorkhtabar, P. Pavone, J. Spitaler, P. Puschnig and C. Draxl, "ElaStic: A tool for calculating second-order elastic constants from first principles", Computer Physics Communications 184 (2013), p. 1861 – 1873
[Gorbatov2013a] O. I. Gorbatov, I. K. Razumov, Y. N. Gornostyrev, V. I. Razumovskiy, P. A. Korzhavyi and A. V. Ruban, "Role of magnetism in Cu precipitation in alpha-Fe", Phys. Rev. B 88 (2013), p. 174113
[Li2012] H. Li, S. Wurster, C. Motz, L. Romaner, C. Ambrosch-Draxl and R. Pippan, "Dislocation-core symmetry and slip planes in tungsten alloys: Ab initio calculations and microcantilever bending experiments", Acta Materialia 60 (2012), p. 748
[Li2016] H.Li, C. Draxl, S. Wurster, R. Pippan and L. Romaner, “Impact of d-band filling on the brittleness of bcc transition metals: The case of tantalum-tungsten alloys investigated by density-functional theory”, accepted by Modelling Simul. Mater. Sci. Eng
[Razumovskiy2011a] V. I. Razumovskiy, A. V. Ruban and P. A. Korzhavyi, "Effect of Temperature on the Elastic Anisotropy of Pure Fe and Fe_0.9Cr_0.1 Random Alloy", Phys. Rev. Lett. 107 (2011), p. 205504
[Razumovskiy2014] V. Razumovskiy, A. Ruban, J. Odqvist, D. Dilner and P. Korzhavyi, "Effect of carbon vacancies on thermodynamic properties of TiC-ZrC mixed carbides", Calphad 46 (2014), p. 87 - 91
[Razumovskiy2015] V. Razumovskiy, M. Popov, H. Ding and J. Odqvist, "Formation and interaction of point defects in group IVb transition metal carbides and nitrides", Computational Materials Science 104 (2015), p. 147 - 154
[Razumovskiy2015b] V. Razumovskiy and G. Ghosh, "A first-principles study of cementite (Fe3C) and its alloyed counterparts: Structural properties, stability, and electronic structure", Computational Materials Science 110 (2015), p. 169 - 181
[Razumovskiy2016] V. I. Razumovskiy, A. Reyes-Huamantinco, P. Puschnig and A. V. Ruban, "Effect of thermal lattice expansion on the stacking fault energies of fcc Fe and Fe75Mn25 alloy", Phys. Rev. B 93 (2016), p. 054111
[Reyes-Huamantinco2012] A. Reyes-Huamantinco, P. Puschnig, C. Ambrosch-Draxl, O. E. Peil and A. V. Ruban, "Stacking-fault energy and anti-Invar effect in Fe-Mn alloy from first principles", Phys. Rev. B 86 (2012), p. 060201
[Romaner2010] L. Romaner, C. Ambrosch-Draxl and R. Pippan, "Effect of Rhenium on the Dislocation Core Structure in Tungsten", Phys. Rev. Lett. 104 (2010), p. 195503
[Romaner2014] L. Romaner, V. Razumovskiy and R. Pippan, "Core polarity of screw dislocations in Fe-Co alloys", Philosophical Magazine Letters 0 (2014), p. 1-8
[SFE-Tool]

Grenzflächendesign

[Butrim 2015] V. Butrim, I. M. Razumovskii, A. Beresnev, A. Kartsev, V. I. Razumovskiy and A. Trushnikova, "Effect of alloying elements and impurity (N) on bulk and grain boundary cohesion in Cr-base alloys", Advanced Materials Research, 1119 (2015), p. 569-574
[Li 2015] J. Li, F. Hage, M. Wiessner, L. Romaner, D. Scheiber, B. Sartory, Q. Ramasse and P. Schumacher, "The roles of Eu during the growth of eutectic Si in Al-Si alloys", Scientific Reports 5 (2015), p. 13802
[Popov 2012] M. N. Popov, J. Spitaler, M. Mühlbacher, C. Walter, J. Keckes, C. Mitterer and C. Draxl, "TiO2(100)/Al2O3(0001) interface: A first-principles study supported by experiment", Phys. Rev. B 86 (2012), p. 205309
[Razumovskiy 2015a] V. Razumovskiy, A. Lozovoi and I. Razumovskiy, "First-principles-aided design of a new Ni-base superalloy: Influence of transition metal alloying elements on grain boundary and bulk cohesion", Acta Materialia 82 (2015), p. 369 - 377
[Scheiber 2015] D. Scheiber, V. I. Razumovskiy, P. Puschnig, R. Pippan and L. Romaner, "Ab initio description of segregation and cohesion of grain boundaries in W-25at.% Re alloys", Acta Materialia 88 (2015), p. 180-189
[Scheiber 2016] D. Scheiber, R. Pippan, P. Puschnig and L. Romaner, "Ab initio calculations of grain boundaries in bcc metals", Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 24 (2016), p. 35013-31
[Scheiber 2016a] D. Scheiber, R. Pippan, P. Puschnig, A. Ruban and L. Romaner, "Ab-initio search for cohesion-enhancing solute elements at grain boundaries in molybdenum and tungsten ", International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 60 (2016), p. 75 - 81
[SEGROcalc]