Atomistiske simuleringer går distancen på metalstyrke

Lawrence Livermore National Laboratory forskere har dykket ned til atomskalaen for at løse hver "jiggle og wiggle" af atombevægelse, der ligger til grund for metalstyrke.

I en første række af sine computersimuleringer fokuseret på metal tantal, holdet forudsagde det, ved at nå visse kritiske betingelser for belastning, metalplasticitet (evnen til at ændre form under belastning) opfylder sine grænser. Én grænse nås, når krystaldefekter kendt som dislokationer ikke længere er i stand til at aflaste mekaniske belastninger, og en anden mekanisme - venskab, eller den pludselige omorientering af krystalgitteret - aktiveres og overtager som den dominerende måde for dynamisk respons.

Forskningen fremgår af 27. september -udgaven af Natur som en forhånds -online -publikation.

Styrke og plasticitet egenskaber af et metal er defineret ved dislokationer, linjefejl i krystalgitteret, hvis bevægelse forårsager materialeglidning langs krystalplaner. Teorien om krystalforskydning blev først fremført i 1930'erne, og meget forskning siden da har fokuseret på dislokationsinteraktioner og deres rolle i metalhærdning, hvor fortsat deformation øger metalets styrke (omtrent som en smed, der dunker på stål med en hammer). De samme simuleringer tyder kraftigt på, at metallet ikke kan forstærkes for evigt.

"Vi forudsiger, at krystallen kan nå en ultimativ tilstand, hvor den flyder på ubestemt tid efter at have nået sin maksimale styrke, "sagde Vasily Bulatov, LLNL hovedforfatter af papiret. "Gamle smede vidste dette intuitivt, fordi det vigtigste trick, de brugte til at styrke deres metaldele, var at gentagne gange hamre dem fra forskellige sider, ligesom vi gør i vores metal æltningssimulering. "

På grund af alvorlige begrænsninger for tilgængelige længde- og tidsskalaer, det var længe antaget umuligt eller endda utænkeligt at bruge direkte atomistiske simuleringer til at forudsige metalstyrke. Udnytter fuldt ud LLNLs verdensførende HPC-faciliteter gennem et tilskud fra Laboratoriets Computing Grand Challenge-program, holdet demonstrerede, at sådanne simuleringer ikke kun er mulige, men de leverer et væld af vigtige observationer om grundlæggende mekanismer for dynamisk respons og kvantitative parametre, der er nødvendige for at definere styrkemodeller, der er vigtige for Stockpile Stewardship -programmet. Stockpile Stewardship sikrer sikkerheden, sikkerhed og pålidelighed af atomvåben uden test.

"Vi kan se krystalgitteret i alle detaljer, og hvordan det ændrer sig gennem alle faser i vores metalstyrkesimuleringer, "Bulatov sagde." Et trænet øje kan opdage defekter og endda karakterisere dem i et omfang bare ved at se på gitteret. Men ens øje overvældes let af den nye kompleksitet af metalmikrostruktur, hvilket fik os til at udvikle præcise metoder til at afsløre krystaldefekter, der, efter at vi har brugt vores teknikker, lad kun defekterne ligeledes udslette det resterende fejlfrie (perfekte) krystalgitter.

Forskergruppen udviklede de første fuldt dynamiske atomistiske simuleringer af plaststyrkerespons af enkeltkrystal tantal udsat for høj deformation. I modsætning til beregningsmæssige tilgange til styrkeforudsigelse, atomistiske molekylære dynamiksimuleringer afhænger kun af et interatomisk interaktionspotentiale, løse hver "jiggle og wiggle" af atomær bevægelse og gengive materialedynamik i fuld atomistisk detalje.