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

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.