Многомасштабное Моделирование роста зерен и деформ

Многомасштабное Моделирование роста зерен и деформации в 
Нанокристаллических материалах 
Д. Вольф D. Wolf

с 
AJ Хаслам, Д. Молдован, В. Ямаков, СР Филпот A. J. Haslam, D. Moldovan, V. Yamakov, S. R. Phillpot

Материаловедение отдела Аргоннской национальной лаборатории 
и 
Х Гляйтер H. Gleiter 
Институт нанотехнологий, Исследовательский центр Карлсруэ 
МПМ - UCLA, 11/19, 2002 

Кластерный суперкомпьютер использующий бытовую электронику 
Поверхностное группы Материалы- 
Материаловедение отдела, ANL 

Оборудование 
Один-я Beowulf кластер 
36 узлов - 450 МГц Pentium III 
(Обновлен до 1 ГГц P-III) 
Один-II Beowulf кластер 
100 узлов - 700 МГц Pentium III 
Производительность 
Один II> 600MHz Cray T3E 


 Научные возможности 
Микроструктура и ее эволюция по существу  трудно
 характеризовать экспериментально 
; ; ; ; возможность для подхода комплексного моделирования 
, который включает в себя все различные длины и времени масштабы 
 физики подслоя: 
• атомно-и электронно-уровня: структура зерна 
границы и дислокации, их динамическое 
поведение и взаимодействия 
• мезомасштаб: пространственное расположение и динамическое 
поведение микроструктурных "элементов" 
(Дислокации, границы зерен, зерна переходы, 
пустоты, осадки, трещины ,...) 
• уровень сплошной среды (континуума): макроскопические материалы 
поведение (феноменологическое, континуума 
упругости, учредительные законы ...) 


Механические свойства поликристаллических 
Материалов: 
 подход Комплексного Моделирования 
Микроструктурно проектируемые материалы являются важными во многих
технологиях…. 
• высокотемпературной конструкционной керамики для аэрокосмоса 
приложений 
• алюминиевые легкие сплавы для топливно-эффективных, НКУ 
Автомобилей
• покрытия теплового барьера для газотурбинных двигателей 
; ; ; ; Микроструктурные управления позволяют 
• обработка действительно хрупких материалов (например, путем 
сверхпластической формовки) 
• пошив микроструктурно-чувствительных материалов 
свойств
Механические свойства поликристаллических материалов 
контролируются динамическим поведением и взаимодействием 
среди дислокаций, границ зерен, зернопереходов 
пустот, трещин и т.д. 

Многомасштабное моделирование микроструктурной Эволюции @ ANL 

Атомистический 
Мезомасштабные 
Конечный элемент 
Закон Ньютона 
Принцип виртуальной энергии диссипации 
Сплошных сред  уровень 
Цель: Сплошной среды моделирование на основе глубокого понимания физики зерен границ ЗГ GB
Вывод
• Высокая температура деформации нанокристаллических материалов
- Высокие ставки деформации в МД имеют смысл!
- Уникальная возможность компьютерного моделирования рассмотреть идеализированные микроструктуры
- Позволяет деконволюции взаимодействие между различными процессами
• Атомный уровень моделирования роста зерен
- Кривизна управляемой миграции ЗГ
- Зерно слияния согласованными поворотами зерна ускоряет темпы роста
- Частота вращения ~ D-4

• Мезомасштабное моделирования роста зерен
- Вязкий закон движения границы зерен и зерна
- Масштаб задается размером зерна, масштабом времени  мобильностью ЗГ
- Закон роста, топология
• Конечная цель: MКЭ моделирование с микроструктурных материалов вводом
Границы зерна ползучесть диффузии
 
Кобл (1963):
Гляйтер Gleiter, 1989: NC материалы должны деформироваться через Кобл
ползучесть, даже при достаточно низких температурах ("RТ податливости")
• Внутренне хрупкие материалы должны стать податливы, как только размер зерна достаточно мал
• Нет деформационного упрочнения
• Очень высокий уровень напряжения (> 107 с-1) доступны by MD!
• Лу (Наука 2000): Суперпластичность в нс Cu!
 
 Зернограничная диффузионная ползучесть в нанокристаллических Pd
(V. Yamakov et al., Acta Mat. 50, 2002, 61 ; P. Keblinski et al., Interface Sci. 6, 1998, 205)

Идея: Дизайн микроструктуры, который устойчив к росту зерна!
• 16 зерна одинаковой формы и размера расположены
Периодически на ОЦК решетке
• Размер зерна: D = 3,8 - 15,2 нм (системы Размер: 55000 - 3,6
миллиона атомов)
• Случайное зерно ориентации: только высоких энергий ГЗ (с
быстро, с жидкостным типа самодиффузии при высоких T)
• Т = 900 - 1300 К (Tm = 1500 К)
• Стресс ниже дислокации-зарождения порогового напряжения

Границы зерен в нанокристаллических Pd со
Случайными Ориентациями зерна
(П. Keblinski и др.., Scripta Матем. 41,1999, 631)

стекла
интерфейсов в нанокристаллических Pd
 стекла
Частота
;3 Twin ГБ
высоких энергий ГЗ нанокристаллических Pd
D = 7,8 нм
стекла
Сравнение с бикристаллических ГЗ (или ГЗ в шелуха-зернистых поликристаллах):
 Качественно идентичны Si!
 
Равномерная Ползучесть при равномерном растяжении

Скорости деформаций являются линейными к приложенным напряжениям!
 Температурная зависимость скорости ползучести

Энергия активации скорости ползучести

Такое же, как для ЗГ диффузии в высоких энергий бикристаллических ЗГ!
 (П. Keblinski и др.. Фил. Mag. 79, 1999, 2735) (В. Yamakov и др.. / Acta Матем. 50,2002, 61)

Гранулометрическая зависимость скорости ползучести

Большой размер зерна (D>> ;): скорости ползучести ~D-3 (Coble!)
Малый размер зерна: (D ; ;): скорости ползучести~ d-2
 3
Вывод
• Высокая температура деформации нанокристаллических материалов
- Высокие ставки деформации в МД имеют смысл!
- Уникальная возможность компьютерного моделирования рассмотреть идеализированные микроструктуры
- Позволяет деконволюции взаимодействия между различными процессами
• Атомный уровень моделирования роста зерен
- Кривизна управляемой миграции ЗГ
- Зерно слияния согласованными поворотами зерна ускоряет темпы роста
- Частота вращения ~ D-4
• Мезомасштабные моделирования роста зерен
- Вязкий закон движения границы зерен и зерна
- Масштаб задается размером зерна, масштабом времени мобильностью ЗГ
- Закон роста, топологии
• Конечная цель: MКЭ моделирования с микроструктурными исходными материалов
J
J
J
Рост зерна в <100> текстурированных поликристаллов Pd
(А. Хаслам и др.. Матем. Sci & Энгин. 318, 293, 2001)

<100> столбчатой микроструктуры
25 зерен, D = 15 нм, ;min ~ 14,9 °,
~ 400000 атомов
T = 7,2 нс
1400 тысяч шагов MD время
Pd (EAM) потенциал
полностью 3D физике
 
Кривизна управляемых зернограничной миграции


ЗГ миграция






Высоких энергий ГЗ исчезнуть Гб миграции
(А. Хаслам и др.. Матем. Sci & Энгин. 318, 293, 2001)

T1 процесс переключения










1 переключить
срабатывание
T2 ИСЧЕЗНОВЕНИЙ ЗЕРНА









Зерно-вращение-индуцированного слияния зерна
(А. Хаслам и др.. Матем. Sci & Энгин. 318, 293, 2001)
















Вращение зерна

АННОТАЦИЯ
• Высокая температура деформации нанокристаллических материалов
- Высокие скорости деформации в МД имеют смысл
- Уникальная возможность компьютерного моделирования рассмотреть идеализированные микроструктуры
- Позволяет деконволюции взаимодействие между различными процессами
• Атомный уровень моделирования роста зерен
- Кривизна управляемой миграции ЗГ
- Зерно слияния согласованными поворотами зерна ускоряет темпы роста
- Частота вращения ~ D-4
• Мезомасштабные моделирования роста зерен
- Вязкий закон движения границы зерен и зерна
- Масштаб задается размером зерна, масштаб времени от мобильности ЗГ
- Закон роста, топологии
• Конечная цель: МКЭ моделирования с микроструктурным исходным материалов

Теория диффузии размещеных зерен вращения
(D.Moldovan et. al., Acta mater. 49, 3521 (2001); based on Raj&Ashby, 1971)
на Радж и Эшби, 1971)
D TShape
 5

"кумулятивный момент"
диффузии размещены
вязко-как вращение
Зерно слияния зерном вращения
; ; = M R ()


Моделирование мезомасштабных (2D)
(Д. Молдаван и др.. Фил. Mag. 82, 1271, 2002)

• Дискретизированные ГЗ:
;m (V, K, ;, ;)
ЗГ скорости
Местные ЗГкривизны
ЗГ энергии
ЗГ мобильности
Угловая скорость
Крутящий момент
"кумулятивный момент"
диффузии размещены
вязко-как вращение
• Needleman-Райс (1980) вариационный функционал для рассеиваемой мощности (Кокс, 1992):
• вязкой силу законы (заменяет закон Ньютона):
 D.молдаван и др. / / Acta матер 2001 года.)
• Скорость Монте-Карло (Ф. Клери, Physica, 2000)
• тройной точки равновесия условие (Херринг отношения) не применяются априори.
;r (;; ;i, Ми)
Крутящий момент
Вращательной подвижности

Анизотропные зернограничные свойства; <001> границы наклона

Проверка методологии мезомасштабных симуляций






Функция распределения размеров зерна
Вращение ведущее к узкой функции распределения размера зерна

Поверхностное группы материалов, материаловедения Отдел
Аргоннской национальной лаборатории

Рост зерна в качестве учебного материала
• МД-моделирования
Определить механизмы роста:
Кривизна управляемой миграции ЗГ
Зерно-вращение-индуцированного слияния зерна
• Моделирование мезомасштабное
Захват MD результаты количественно
Принцип виртуальной рассеиваемой мощности
Включение обоих механизмов роста
Модификация закон роста и роста топологии
Что еще иссключает явление последствия стресса!

Многомасштабное моделирование микроструктурной Эволюции @ ANL
Атомистический
Мезомасштабные
Конечный элемент
Закон Ньютона
Принцип виртуальной энергии диссипации
Сплошных сред уровень
Цель  : сплошных сред симуляции на основе фундаментального понимания ЗГ физики