Deformation of metallic multilayers: an atomistic study of the relationship between structure and deformation mechanisms

Die mechanischen Eigenschaften von mehrlagigen metallischen Laminaten unterscheiden
sich von homogenen Metallen, da diese durch die Eigenschaften der Grenzflächen zwischen
den Schichten bestimmt werden. Der Einfluss der Grenzflächen steigt, wenn die Schichtdicke
auf der Nanoskala reduziert wird. In dieser Arbeit werden die zwei mehrlagigen metallischen
Materialien, Cu1−xAgx|Ni und Cu|Au untersucht. Beide werden entlang der [111]-Achse ihrer
kfz-Gitter gestapelt. Diese Systeme bilden semikohärente Grenzflächen mit Netzwerken von
partiellen Shockley-Versetzungen, die in einem regelmäßigen Dreiecksmuster angeordnet sind.
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Die beiden Systeme bieten Alternativen zur Feinabstimmung der Grenzflächeneigenschaften.
Das Cu1−xAgx|Ni-System verwendet das Legierungselement Ag um die Gitterfehlanpassung
präzise einzustellen. Das Cu|Au-System ist ein vollständig mischbares binäres System. Somit
ist das Laminat eine metastabile Form des Systems, die zwangsläufig zu einer Mischung an
der Grenzfläche führt.
Molekulardynamik (MD) und Monte-Carlo-Methoden wurden verwendet, um die Struktur
und die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Die
Berechnungen wurden für verschiedene Geometrien und Belastungsbedingungen durchgeführt,
von repräsentativen Volumenelementen bis hin zu realistischen Geometrien wiezum Beispiel
der Kompression eines Nanopillars oder von Kratzversuchen auf Nanoebene. Mit Hilfe von
großen MD-Berechnungen konnten Systemgrößen erreicht werden, die direkt mit Experimenten
vergleichbar sind.
Ag bietet sich als Kandidat für die Legierung im Cu|Ni-Binärsystem an, da es lediglich in Cu
löslich ist und daher nur die Cu-Schichten verändern sollte. Das Zulegieren von Ag zur Cu-
Schicht erhöhte die Fehlanpassung des CuAg Gitters bezüglich des Ni-Gittern und erhöhte
damit die Versetzungsdichte Grenzfläche. Der Überschuss an Ag in der Cu-Schicht fällt an
bevorzugten Stellen des Versetzungsnetzwerks der Grenzfläche aus. Die Molekulardynamiksimulationen
zeigten, dass diese Modifikationen die Stärke der Cu1−xAgx|Ni-Systeme erhöhten. Dieses
Modell zeigt, dass die Verwendung eines gut gewählten Legierungselements in einem binären
Mehrschichtsystem ein Weg ist, um die Festigkeit des Systems unter verschiedenen
Lastbedingungen einzustellen.
Für das Cu|Au-System wurde ein EAM-Potential entwickelt und mit bereits vorhandenen
EAM-Potentialen verglichen. Dieses neue Potential ermöglicht es, sowohl die unären als
auch die stabilen binären Phasen dieses Binärsystems erfolgreich zu beschreiben. Die Untersuchung
der Grenzfläche des Cu|Au-Systems ergab, dass die Struktur und die Grenzfläche sehr
empfindlich auf die Vermischung zwischen den beiden Spezies reagiert, wobei die Scherfestigkeit
der Grenzfläche mit der Vermischung stark ansteigt.
Weitere Molekulardynamiksimulationen haben gezeigt, dass dieses System empfindlich auf
Defekte und Heterogenitäten in seiner Struktur reagiert. So führt zum Beispiel tribologische
Belastung zur Bildung von Wirbelinstabilitäten in dem Laminat und Oberflächenfehler
können zur Bildung von Scherbändern und darauf folgendem katastrophalen Versagen
der Strukturen führen. Die Beobachtung und das Verständnis der Wirkung von Defekten
auf die mechanische Antwort von Mehrschichtsystemen kann somit zu einem besseren
Materialdesign führen.

The mechanical properties of metallic multilayer materials differ from the bulk because of
the properties of interfaces between the layers. These differences become greater as the layer
thickness is reduced to the nanoscale. This thesis describes two FCC metallic multilayer
materials, Cu1−xAgx|Ni and Cu|Au stacked along their [111] axis. These systems form
semi-coherent interfaces with networks of partial Shockley dislocations arranged in a regular
triangular pattern. The two systems represent two alternatives to fine tune the interfaces
properties. The first one, the Cu1−xAgx|Ni system, uses an alloying element, Ag, to fine tune
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the lattice mismatch between the layers. The second, the Cu|Au system, is a fully miscible
binary system. As such the multilayer stack is a metastable form of the system inevitably
leading to intermixing at the interface.
Molecular dynamics (MD) and a combination of molecular dynamics and Monte Carlo
methods were used to study the structure and strengthening mechanism of these composite
materials. Calculations were carried out on various geometries and loading conditions, from
representative volume elements to realistic geometries such as nanopillar compression or
nanoscratching setups. With the help of large scale MD calculations it was possible to reach
system sizes directly comparable to experiments.
Ag was found to be a good candidate for alloying in the Cu|Ni binary system as it only forms
a solid solution with Cu and therefore should only alter the Cu layers. As Ag was added
to the Cu layer, it increased the lattice mismatch with the Ni layer, effectively increasing
the density of the network of misfit dislocation at the interface. The excess of Ag in the Cu
layer segregated at preferential sites at the interfaces and pinned the dislocation network.
Molecular dynamics simulations demonstrated that these modifications increased the strength
of the Cu1−xAgx|Ni systems. This model shows that using a well chosen alloying element
in a binary multilayer system is a route for tuning the strength of a system under various
loading conditions.
A custom EAM potential for the Cu|Au system was developed and compared with preexisting
EAM potentials. This new potential allowed to successfully describe the unary as
well as the stable binary phases existing for this binary system. Investigation of the interface
of the Cu|Au system showed that the interface structure and properties were highly sensitive
to the intermixing between the two species, with a strong increase of the interface shear
strength with intermixing. It was also noticed that this system was sensitive to defects and
heterogeneities in its structure which lead, under tribological load, to the formation of vortex
instabilities at the interfaces. Finally, catastrophic failure was observed of the system under
compression as shear band nucleation was triggered by surface flaws. The observation and
understanding of the effect of defects on the mechanical responses of multilayer systems
can thus lead to a better material design by avoiding or embracing these defects.