Atomic-scale investigation of interfacial structures in WC-Co at finite temperatures
Doktorsavhandling, 2021

WC-Co cemented carbides combine superb hardness with high toughness making them ideal for usage in high-speed machining of steels and in wear resistance tools. These excellent mechanical properties are to a large extent dependent on the microstructure and thus the interfacial properties of the material. Hence, being able to predict and understand interfacial properties in this material can allow for, e.g., optimizing the manufacturing process in order to improve mechanical properties further.

Electronic structure calculations allow for accurately predicting interface energies for a given structure and composition. However, finding the ground-state interfacial structure and composition is challenging as the search space is very large when considering all degrees of freedom. Furthermore, direct sampling of interfacial properties at finite temperature using density functional theory (DFT) is usually computationally impractical as hundreds, thousands or even millions of calculations may be required. Therefore, employing atomic-scale models based on DFT calculations is advantageous and allows for investigation of the interface structure, composition and free energy at finite temperatures. In this thesis computational methods for calculating temperature-dependent interfacial free energies are developed and applied to the WC-Co system.

The emphasis is on understanding under which conditions cubic interfacial structures (complexions) can form on the WC basal plane in contact with Co.
Configurational degrees of freedom are treated with cluster expansions and Monte Carlo simulations.
Vibrational properties are mainly treated in the harmonic approximation using a regression approach to extract the harmonic force constants, which significantly reduces the number of DFT calculations.
Interfacial phase diagrams are obtained for both the undoped WC-Co system and the Ti-doped system.
Detailed information pertaining to structure and composition of the interfacial phases are obtained and show good agreement with experimental observations.

interfaces

phase diagrams

free energies

WC--Co

atomic-scale modeling

cluster expansions

cemented carbides

complexions

force constants

Online
Opponent: Assoc. Prof. Björn Alling, Institutionen för fysik, kemi och biologi, Linköpings universitet, Sverige

Författare

Erik Fransson

Chalmers, Fysik, Kondenserad materie- och materialteori

The Hiphive Package for the Extraction of High-Order Force Constants by Machine Learning

ADVANCED THEORY AND SIMULATIONS,; Vol. 2(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Efficient construction of linear models in materials modeling and applications to force constant expansions

npj Computational Materials,; Vol. 6(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

ICET - A Python Library for Constructing and Sampling Alloy Cluster Expansions

ADVANCED THEORY AND SIMULATIONS,; Vol. 2(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

A computational study of the temperature dependence of interface and surface energies in WC–Co cemented carbides

International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,; Vol. 87(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Erik Fransson, Martin Gren, Henrik Larsson and Göran Wahnström. First-principles modeling of complexions at the phase-boundaries in Ti doped WC/Co at finite temperatures

Hårdmetaller är kompositmaterial som har en mikrostruktur med mikrometerstora korn av en karbid (WC) som är sammanfogade med hjälp av en bindefas (Co).
Denna mikrostruktur ger upphov till en unik kombination av hårdhet och seghet, vilket gör materialet attraktivt för använding inom industriella applikationer som t.ex. bearbetning av stål.
Storleken av karbidkornen är direkt kopplade till hårdheten i materialet, där mindre korn leder till ett hårdare material.
Att förstå och kunna kontrollera kornstorleken i dessa material är därför en viktig aspekt för att kunna tillverka material med önskad hårdhet.
Drivkraften för korntillväxt är att minimera arean mellan korn och bindefasen, eftersom det leder till en lägre energi (likt hur flera vattendroppar tenderar att bilda en stor vattendroppe).
Korntillväxten sker via atomära processer vid ytorna mellan korn och bindefas, och därav är det av intresse att både förstå och förutsäga hur man kan påverka dessa processer.


I den här avhandlingen studeras ytor och deras egenskaper i hårdmetaller med hjälp av datorberäkningar och simuleringar.
För att kunna göra detta, speciellt vid höga temperaturer, så krävs atomära modeller för interaktionerna i materialet.
En del av avhandlingen har fokuserat på att bidra till utvecklingen av mjukvaror för att göra konstruktionen av dessa modeller enkel och smidig.
Detta har resulterat i att två öppna programvaror har publicerats.
Sedan har vi byggt och använt atomära modeller för att studera hur atomlager vid ytan mellan karbiden och bindefasen beter sig och hur dessa påverkas av t.ex. temperatur.
Vi finner att speciellt vid höga temperaturer så kan det bildas en tunn film, ett par atomlager tjock, men en ny kristallstruktur och annorlunda komposition.
Dessa typer av tunna filmer skulle kunna ge upphov till en hämning av korntillväxten, och därav är det viktigt att förstå under vilka förhållanden som de kan skapas.
Vi studerar även dessa tunna filmer för ett Ti dopat material, och finner att dopning leder till att filmerna lättare bildas.
Här finner vi även att Ti atomerna specifikt segregerar till det andra atomlagret i filmerna, vilket även har observerats i experimentella mikroskopstudier.
Detta ger en bra indikation på att våra modeller och således våra resultat är sunda och kan vidare användas för att förstå atomära mekanismer i hårdmetaller som är svåra att studera experimentellt.

Sintring av inhomogena strukturer för förbättra prestanda. Materials Science 2015.

Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF) (RMA15-0062), 2016-05-01 -- 2021-06-30.

Flerskalsmodellering av plastisk deformation av hårdmetaller.

Vetenskapsrådet (VR) (2016-04342), 2017-01-01 -- 2020-12-31.

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Styrkeområden

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Den kondenserade materiens fysik

ISBN

978-91-7905-523-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4990

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Online

Online

Opponent: Assoc. Prof. Björn Alling, Institutionen för fysik, kemi och biologi, Linköpings universitet, Sverige

Mer information

Senast uppdaterat

2021-08-16