Studie plasticity nanokontantů a dislokačních lavin v FCC a BCC krystalech pomocí molekulární dynamiky

Javier VARILLAS DELGADO

Disertační práce

A Molecular Dynamics Study of Nanocontact Plasticity and Dislocation Avalanches in FCC and BCC Crystals

Abstract:

Tato studie si klade za cíl studovat základní mechanismy, které řídí vznik a vývoj struktur defektů v krystalické mřížce, které nastávají při plasticitě kovových krystalů. Práce se zaměřuje na jednoosou tahovou deformaci a zatěžování kontaktem s důrazem na vývoj intermitentních dislokačních lavinových jevů. Všechny analýzy jsou založeny na sérii počítačových simulací metodou molekulární dynamiky (MD) v kubických prostorově centrovaných (BCC) a plošně centrovaných (FCC) krystalech kovů. První část práce se zabývá kombinovanou rolí elasticity a plasticity při nanokontaktních zatíženích, kde je věnována pozornost mechanismu vedoucímu k vytvoření trvalého vtisku nanoindentorem a popisu deformačních charakteristik v jeho blízkém okolí. Je zjištěno, že specifické uspořádání linií skluzových pásů vzniklých na povrchu materiálu při nanoindentaci je dáno charakterem plastických poruch (dislokační smyk a dvojčatění) probíhajících v objemu krystalů, kde hraje významnou roli teplota a krystalografická orientace testovaného povrchu. Dále je provedena analýza vlivu procesu nukleace defektů na tvrdost materiálu sledovanou v závislosti na hloubce vtlačení indentoru. Další doplňkové MD simulace jednoosé tahové zkoušky byly provedeny pro přímé srovnání s indentačními testy. Výsledky tohoto srovnání ukazují na klíčovou úlohu, kterou hrají nukleační procesy defektů při formování trvalých vtisků, a která se liší od konvenčního pohledu na to, že při velmi malých a makroskopických zatíženích je vtisk indentoru dán především rozvojem již existující defektů v krystalu, tj. že čím větší je hustota dislokace, tím větší je měřená tvrdost. Obecně tato práce přispívá k pro pochopení toho, proč jsou povrchy BCC tvrdší než povrchy FCC. V další části práce jsou použity metody statistické fyziky k výzkumu vlivu dislokačních mechanizmů na vznik lavinových dislokačních událostí charakteristických při plastické deformaci krystalů. Tato analýza je založena na představě, že statistika velikostí jednotlivých lavinových jevů se řídí univerzálním potenciálním zákonem. Pro zkoumání statistiky rozdělení velikosti dislokačních lavin v kubických krystalech byla provedena řada dalších simulací MD. V těchto simulacích jsou výpočetní cely obsahující periodicky uspořádané preexistující dislokační struktury zatíženy jednoosým napětím za různých teplot a při různých rychlostech deformace. Při dostatečně pomalé deformaci se dislokační sítě vyvíjejí emisemi dislokačních lavin, které se v čase nepřekrývají. Pohyb dislokací v síti defektů vykazuje během každé plastické (disipativní) události klidové periody. Výsledky dále ukazují, že existuje kritická velikosti skluzu, která odděluje dva režimy lavinových událostí s různým exponentem mocninné statistiky. Tyto režimy se liší v základních skluzových procesech (typu aktivity dislokací) a přecházejí mezi dvěma odlišnými modely kritičnosti (tzv. self-organized criticality vs. tuned criticality). Analýzy MD ukazují specifické mechanismy, které charakterizují emise a šíření dislokačních lavin v kovech FCC a BCC v širokém teplotním rozmezí. Tyto mechanismy podporují teorii existence dvou režimů (statisticky modelovaných potenciálním zákonem.

Abstract:

This study aims to investigate the underlying mechanisms which govern the development of dense defect networks in nanoscale crystal plasticity, either under contact and uniaxial loading conditions, with emphasis on the onset of intermittent avalanche phenomena. The investigation is based on a comprehensive set of massive molecular dynamics (MD) simulations performed with embedded-atom method potentials in face-centered cubic (FCC) and face-centered cubic (BCC) crystals. The first part of the thesis concerns the combined role of elasticity and plasticity in nanocontact loadings, where attention is given to the mechanisms leading to the formation of a permanent nanoimprint as well as to the onset of material pile-up at the contact vicinity. It is found that the topographical arrangement of the slip traces emitted at the surface into specific deformation patterns is a distinctive feature of the underlying dislocation glide and twinning processes occurring in FCC and BCC crystals as a function of temperature and surface orientation. A mechanistic analysis is made on the influence of the defect nucleation events in conjunction with the development of entangled defect networks upon the material hardness and its evolution towards a plateau level with increasing indenter-tip penetration. Complementary MD simulations of the uniaxial stress-strain curve of the plastically deformed region are carried out with the purpose of establishing a direct correlation between nanoscale material responses attaining under uniaxial and contact loading conditions. The results of this comparison illustrate on the key role played by defect nucleation processes on the formation of permanent nanoimprints, which differs from the conventional view in that in micro and macroscopic scales imprint formation is essentially governed by the evolutionary character of a preexisting (entangled) defect network: the greater the dislocation density, the larger the measured hardness. In overall, this work provides a fundamental insight into the understanding of why BCC surfaces are harder than FCC surfaces at the nanoscale. A statistical physics background is devised to investigate the influence of the dislocation mechanisms on the onset of avalanche events that are inherent to crystal plasticity. The analysis is predicated upon the notion in that the size distribution of such avalanches follows power-law scaling. To investigate the avalanche size distributions in cubic crystals, a group of novel MD simulations are performed where the computational cells containing a periodic arrangement of a preexisting dislocation network are subjected to uniaxial straining under displacement control at different strain rates and temperatures. Under sufficiently slow driving, the dislocation networks evolve through the emission of dislocation avalanches which do not overlap in time. This illustrates that the mobilized entangled dislocation arrangements exhibit quiescent periods during each plastic (dissipative) event, enabling comparison with experimental results which are also performed under strict displacement controlled conditions. The results illustrate on the attainment of a transitional slip size separating two power-law avalanche regimes as a function of the fundamental dislocation glide processes at the crossroads of self-organized and tuned criticality models. Detailed analyses of the MD simulations furnish specific mechanisms characterizing dislocation avalanche emission and propagation in FCC and BCC metals throughout a wide temperature range, which is central in supporting the onset of the aforementioned two power-law regimes.

Keywords

nanoindentace, nanokontakty, krystalová plasticita, dislokace, dvojčatění, komprese mikropilarů, dislokační laviny

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 5. 2. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 15. 5. 2019
• Vedoucí: Prof. RNDr. Josef Voldřich, CSc.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta strojní

Doktorský studijní program / obor:
Strojní inženýrství / Inženýrství speciálních technologií a materiálů