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Diffusion of point defects in oxide-dispersion strengthened steels

Mock, Markus (2019):
Diffusion of point defects in oxide-dispersion strengthened steels.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8814],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

ODS steels are considered as promising materials for the next generation of fission reactors and future fusion reactors due to their outstanding combination of mechanical properties and resistance to radiation damage. The eponymous oxide precipitates are crucial for the properties of the material and the diffusion of yttrium is essential to their formation process.

In the first part of this thesis an interatomic potential for the iron-yttrium system is presented that enables large-scale atomistic simulations. The potential is used to investigate the interaction between substitutional yttrium atoms and edge dislocations and shows a significant attraction between yttrium atoms and the stress field of the dislocation. This leads to yttrium segregation and pinning of dislocation motion. Calculation of vacancy jumps within the core of edge dislocations reveals a significant reduction of migration barriers, which leads to the conclusion that pipe diffusion can be a relevant diffusion mechanism of yttrium in ODS steels.

The second part deals with the bulk diffusion of yttrium in bcc iron. Yttrium atoms and other oversized solutes show a high binding energy to vacancies and a considerable relaxation from their lattice site towards a neighboring vacancy. In the case of yttrium the relaxation is so prominent, that the resulting situation may also be considered as an interstitial atom sitting in between two vacancies. We calculate the yttrium-vacancy binding energy and the migration barriers of vacancy jumps in the vicinity of a yttrium atom by means of nudged-elastic band calculations using DFT calculations. These barriers are used in a kinetic Monte Carlo code to calculate the diffusivity of yttrium and investigate the diffusion mechanism of yttrium in bcc iron with a focus on correlation effects.

The third part of this thesis deals with the impact of oxide precipitates on the radiation resistance of ODS steels. We address the question, if elastic strain fields around \ce{Y2O3} and \ce{Y2Ti2O7} particles cause a long-ranged interaction between the precipitates and point defects. We use kinetic Monte Carlo simulations to simulate the diffusion of point defects in these strain fields and to determine the resulting steady state point defect concentrations. We show, that there is essentially no vacancy-strain interaction while the sink strength of precipitates for interstitials increases with misfit strain between precipitate and matrix. The total change of point defect concentration with misfit strain is, however, rather limited.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Mock, Markus
Title: Diffusion of point defects in oxide-dispersion strengthened steels
Language: English
Abstract:

ODS steels are considered as promising materials for the next generation of fission reactors and future fusion reactors due to their outstanding combination of mechanical properties and resistance to radiation damage. The eponymous oxide precipitates are crucial for the properties of the material and the diffusion of yttrium is essential to their formation process.

In the first part of this thesis an interatomic potential for the iron-yttrium system is presented that enables large-scale atomistic simulations. The potential is used to investigate the interaction between substitutional yttrium atoms and edge dislocations and shows a significant attraction between yttrium atoms and the stress field of the dislocation. This leads to yttrium segregation and pinning of dislocation motion. Calculation of vacancy jumps within the core of edge dislocations reveals a significant reduction of migration barriers, which leads to the conclusion that pipe diffusion can be a relevant diffusion mechanism of yttrium in ODS steels.

The second part deals with the bulk diffusion of yttrium in bcc iron. Yttrium atoms and other oversized solutes show a high binding energy to vacancies and a considerable relaxation from their lattice site towards a neighboring vacancy. In the case of yttrium the relaxation is so prominent, that the resulting situation may also be considered as an interstitial atom sitting in between two vacancies. We calculate the yttrium-vacancy binding energy and the migration barriers of vacancy jumps in the vicinity of a yttrium atom by means of nudged-elastic band calculations using DFT calculations. These barriers are used in a kinetic Monte Carlo code to calculate the diffusivity of yttrium and investigate the diffusion mechanism of yttrium in bcc iron with a focus on correlation effects.

The third part of this thesis deals with the impact of oxide precipitates on the radiation resistance of ODS steels. We address the question, if elastic strain fields around \ce{Y2O3} and \ce{Y2Ti2O7} particles cause a long-ranged interaction between the precipitates and point defects. We use kinetic Monte Carlo simulations to simulate the diffusion of point defects in these strain fields and to determine the resulting steady state point defect concentrations. We show, that there is essentially no vacancy-strain interaction while the sink strength of precipitates for interstitials increases with misfit strain between precipitate and matrix. The total change of point defect concentration with misfit strain is, however, rather limited.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Materials Modelling
Date Deposited: 18 Aug 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8814
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88140
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten and Nordlund, Prof. Dr. Kai
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 April 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
ODS Stähle gelten aufgrund ihrer hervorragenden Kombination von mechanischen Eigenschaften und Beständigkeit gegen Strahlungsschäden als vielversprechende Werkstoffe für die nächste Generation von Atomreaktoren und zukünftigen Fusionsreaktoren. Die namensgebenden Oxidausscheidungen sind entscheidend für die Eigenschaften des Materials, und die Diffusion von Yttrium ist von entscheidender Wichtigkeit für die Ausscheidungsbildung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein interatomares Potential für das Eisen-Yttrium System vorgestellt, welches es ermöglicht, großskalige atomistische Simulationen durchzuführen. Das Potential wird verwendet, um die Wechselwirkung zwischen substitutionellen Yttriumatomen und Stufenversetzungen zu untersuchen und weist eine signifikante Anziehungskraft zwischen den Yttrium Atomen und dem Spannungsfeld der Versetzung nach. Dies führt zu einer Anreicherung von Yttrium an Versetzungen und behindert dadurch die Versetzungsbewegung. Die Simulation von Leerstellensprüngen innerhalb des Versetzungskerns von Stufenversetzungen zeigt eine signifikante Reduktion der Migrationsbarrieren, was zu dem Schluss führt, dass Pipediffusion ein relevanter Diffusionsmechanismus von Yttrium in ODS Stählen ist. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Volumendiffusion von Yttrium in bcc Eisen. Yttrium und andere große Atome zeigen eine hohe Bindungsenergie an Leerstellen und eine deutliche Relaxation von ihrer Gitterposition hin zu einer benachbarten freien Stelle. Im Falle von Yttrium ist die Relaxation so stark ausgeprägt, dass die sich daraus ergebende Situation auch als ein Zwischengitteratom betrachtet werden kann, das in der Mitte zwischen zwei freien Gitterplätzen sitzt. Die Bindungsenergie zwischen Yttriumatomen und Leerstellen und die Migrationsbarrieren von Leerstellensprüngen in der Nähe eines Yttriumatoms wurde durch DFT-Rechnungen ermittelt. Diese Barrieren werden in einem kinetischen Monte-Carlo-Code verwendet, um die Diffusivität und den Diffusionsmechanismus von Yttrium in bcc-Eisen zu untersuchen. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Oxidausscheidungen auf die Strahlungsbeständigkeit von ODS Stählen. Dabei wird die Frage beantwortet, ob elastische Dehnungsfelder um die \ce{Y2O3} und\ce{Y2Ti2O7} Partikel eine langreichweitige Wechselwirkung zwischen den Ausscheidungen und Punktdefekten hervorrufen. Mit Hilfe von kinetischen Monte-Carlo Simulationen wurde die Diffusion von Punktdefekten in diesen Dehnungsfeldern simuliert und die resultierenden stationären Punktdefektkonzentrationen bestimmt. Dabei zeigt sich, dass es praktisch keine Wechselwirkung zwischen Leerstellen und Ausscheidungen gibt, während die Wirksamkeit der Ausscheidungen als Senken für Zwischengitteratome mit der Fehlanpassung zwischen Ausscheidung und Matrix ansteigt. Insgesamt ist der Einfluss der Dehnungsfelder auf die Punktdefektkonzentration jedoch eher begrenzt.German
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