Új elméleti és kísérleti módszerek kifejlesztése a diszlokációk kollektív tulajdonságának leírására  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
119561
típus K
Vezető kutató Groma István
magyar cím Új elméleti és kísérleti módszerek kifejlesztése a diszlokációk kollektív tulajdonságának leírására
Angol cím Development of new theoretical and experimental methods for describing the collective properties of dislocations
magyar kulcsszavak diszlokációk kontinuum elmélete, diszlokáció lavinák, mikrodeformáció, belső feszültség eloszlás
angol kulcsszavak continuum theory of dislocations, dislocation avalanches, microdeformation, internal stress distribution
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Kondenzált anyagok tulajdonságai
zsűri Fizika 1
Kutatóhely Anyagfizikai Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők Boldizsár Zoltán Attila
Ispánovity Péter Dusán
Kalácska Szilvia
Tüzes Dániel
Vida Ádám
Zilahi Gyula
projekt kezdete 2016-12-01
projekt vége 2022-02-28
aktuális összeg (MFt) 35.052
FTE (kutatóév egyenérték) 22.28
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Új anyagok kifejlesztése szempontjából alapvető fontosságú a kristályos anyagok plasztikus deformációja során fellépő jelenségek megértése a mikroszkópikus skálától egészen az atomi felbontásig. Habár a plasztikus deformációért felelős diszlokációk egyedi tulajdonságai jól ismertek, jelenleg keveset tudunk azok kollektív mozgásának sajátosságairól. Az a tény, hogy az új kísérleti technikák lehetővé teszik, hogy a mikronos skálán tudjunk szerkezetek kialakítani, valamint, hogy nagy skálájú számítógépes szimulációkat tudunk végezni a területet a tudományos érdeklődés homlokterébe helyezte. A jelen pályázati javaslat célja, hogy feltárjuk a diszlokációk kollektív mozgásának néhány alapvető sajátságát.

A közelmúltban végzett alapvető fontosságú kísérletek tanulsága szerint a kristályos anyagok deformációs tulajdonságai alapvetően megváltoznak ha a minta mérete a mikrométeres skála környékére csökken. A deformáció folyamatát véletlen térben lokalizált diszlokáció lavinák jellemzik. Ez a viselkedés szoros kapcsolatban van a régóta ismert ténnyel, hogy a diszlokációk különböző mintázatokba rendeződnek, amelynek karakterisztikus mérete szintén mikron nagyságrendű. A pályázat keretében megvalósuló kutatás legfontosabb célja új kísérleti módszerek kifejlesztése, diszkrét diszlokáció dinamikai szimulációk végzése és a korábban kidolgozott diszlokáció kontinuum elmélet továbbfejlesztése. Ez a komplex megközelítés lehetővé teszi számunkra, hogy kidolgozzunk egy részletes modellt a diszlokációk kollektív mozgásának leírására. Általánosabb perspektívából szemlélve a problémát a kérdés az, hogy melyek egy disszipatív erősen kölcsönható rendszer statisztikus tulajdonságai.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az utóbbi évek kísérleti eredményei azt mutatták, hogy a mikron méretű kristályos anyagok deformációs tulajdonságai lényegesen különböznek a tömbi anyagokétól. A feszültség-deformáció görbe véletlen lépcsőket tartalmaz, aminek oka diszlokáció lavinák megjelenése. Ennek a nem determinisztikus viselkedésnek a modellezéséhez új megközelítés szükséges. A témavezető tanszékén megépített nanodeformációs eszközzel a SEM/FIB berendezésünkben in-situ vizsgálni szeretnénk különbözőképpen elődeformált anyagokból kialakított mikrooszlopok deformációs tulajdonságait. A berendezéshez egy akusztikus emissziós detektor is kapcsolódik ami lehetővé teszi a diszlokációk kollektív mozgása során keletkező hanghullámok detektálását is. A részben általunk kifejlesztett HR-EBSD technikával vizsgálni tervezzük a belsőfeszültség valószínűség eloszlását valamint a feszültség térképet. Ilyen komplex vizsgálatot korábban a területen nem végeztek. Ezzel reméljük, hogy egy részletes képet kapunk a deformációs folyamat statisztikus sajátosságairól. A vizsgálatokat diszkrét diszlokáció dinamikai szimulációkkal tervezzük kiegészíteni. Tervezzük továbbá az így kapott eredményeket beépíteni tervezzük a témavezető és munkatársai által kidolgozott diszlokáció kontinuum elméletbe. A statisztikus tulajdonságokkal kiegészített elmélet a mérnöki gyakorlatban használatos fenomenologikus leírásmód helyébe léphet.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A pályázat fő célkitűzése, hogy egy komplex képet kapjunk a szubmikron méretű kristályos anyagok plasztikus deformációja során fellépő sztochasztikus jelenségekről. Az elmúl év során építettünk egy olyan nanodeformációs berendezést ami képes arra, hogy a SEM kamrájában végezzük el az összenyomási kísérleteket. A kereskedelmi forgalomban kapható ilyen berendezésekhez képes az általunk kifejlesztett berendezés az analóg visszacsatolás következtében sokkal gyorsabb változások detektálására képes. Emellett egy akusztikus emisszió detektor is kapcsolódik hozzá, ami képes detektálni a diszlokációk kollektív mozgása során keletkező hangot. (Megjegyezzük, hogy egy diszlokáció mozgása során keletkező jel nem detektálható). Ilyen komplex összeállítás máshol nem áll rendelkezésre. A tervezett nagy mennyiségű mikropillar deformációs teszt reményeink szerint egy részletes statisztikus képet ad számunkra a jelenségről.

Tovább kívánjuk fejleszteni a HR-EBSD mérési technikát, amely a témavezető tanszéke mellett csak az oxfordi egyetemen áll rendelkezésre. Ez egy teljesen új eljárás ami képes meghatározni a mintában kialakuló belső feszültség valószínűség eloszlását illetve a feszültség térképet. Az eloszlásfüggvényből a diszlokáció sűrűség is meghatározható. A kiértékelési eljárás alapját a témavezető korábbi elmélete képezi. Amint sikerül megoldanunk az eljárás jelenleg még nyitott problémáit egy olyan módszer lesz a kezünkben, ami képes meghatározni a mikrostruktúra fontos jellemzőit. Az eljárással vizsgálni szeretnénk a deformált mikrooszlopokban kialakuló diszlokáció szerkezetet. Ilyen vizsgálatokat korábban nem végeztek.

A harmadik terület amin dolgozni tervezünk a diszlokációk kontinuum elméletének továbbfejlesztése. Az első olyan elméletet ami közvetlenül összeköti az egyedi diszlokációk elméletét a diszlokáció sűrűséget leíró evolúciós egyenlettel a témavezető dolgozta ki. Az elméletet a közelmúltban sikerült úgy általánosítani, hogy egyszeres csúszás esetén számot adjon diszlokáció mintázatok kialakulásáról. Tervezzük az elmélet többszörös csúszásra történő kiterjesztését, valamint a sztochasztikus diszlokáció mozgás beépítését.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A ma rendelkezésre álló technológiával mód nyílik arra, hogy mikron méretű szerkezeteket alakítsunk ki. Az utóbbi években elvégzett mérések tanulsága szerint az ilyen kis próbatestek deformációs tulajdonságai alapvetően különböznek a hagyományosan mérnöki gyakorlatban használt nagyobb méretű rendszerekétől. A deformáció folyamatát a feszültség véletlenszerű hirtelen leesései jellemzik. A minta aktuális viselkedése mintáról mintára jelentősen változik. Ezért olyan alapvető fontosságú mennyiségeket mint például a folyáshatár nem lehet meghatározni. A mikron méretű testek mechanikai tulajdonságait csak valószínűségi alapon tudjuk leírni. A pályázat során új kísérleti technikákat, valamint elméleti és számítógépes modelleket tervezünk kidolgozni mikrodeformáció során megfigyelt jelenségek modellezésére. Érdemes kiemelni, hogy hasonló jelenségek számos más területen mint például a földrengés is megjelenik. A kapott eredmények nagyban segíthetnek abban, hogy új miniatűr alkatrészeket tudjunk előállítani és használni számos gyakorlati alkalmazásban.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
An in-depth understanding of the plastic response of crystalline materials on multiple scales, ranging from macroscopic sizes down to the atomic resolution, is vital for developing new materials. Although the properties of individual dislocations, the elementary carriers of plastic flow, have already been developed, much less is known about the collective motion of these line-like defects. The new experimental techniques allowing to manipulate on the micron size level and the large scale computer simulation available prompted a focused interest of the research community towards this field. The current proposal addresses some of the key topics on the collective properties of dislocations.

According to the recent breakthrough experiments, plasticity of the single crystals is dramatically different when the sample size is reduced to the micron scale. The deformation is characterized by intermittent, and spatially localized avalanches of the dislocations. The problem is closely related to the long known but still not understood fact that dislocations tend to form patterns with a characteristic length scale in order of a micron. The primary aims of the project are to develop new experimental methods, perform large scale discrete dislocation dynamics simulations, and further develop the continuum theory of dislocations. This complex approach would allow us to obtain a detailed model of the collective motion of dislocations. In general terms the question we are going to work on is what is the statistical physics of a dissipative system consisting of objects with long range interaction with a quenched disorder represented by the slip planes of the dislocations.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Recent experiments on different crystalline materials revealed that the plastic response of a specimen with characteristic size in the order of micron is completely different from the ones obtained on bulk samples. The stress-strain curve consists of random stress or strain bursts caused by the collective avalanche type motion of dislocations. To model this non-deterministic nature one has to take a new approach based on the collective statistical properties of dislocations. With the nanodeformation stage developed at the Department of the PI we are going to perform a series of in-situ tests of different micron sized pillars (micro-pillar) with different initial dislocation content. During the deformation tests the acoustic emission signal generated by the dislocation avalanches will be recorded too. With the new HR-EBSD technique, we are going to further develop, the internal stress distribution generated by the dislocations can be directly measured. Such a complex study have never been performed so far. With these we can gain a complex picture of the statistical nature of the deformation process. The experimental studies will be complemented to large scale discrete dislocation dynamics (DDD) simulations. Moreover we are going to incorporate the experimental and DDD simulation results into the continuum theory of dislocations the PI and co-workers proposed. The theory completed with the new stochastic features can replace the phenomenological plasticity theories applied in the engineering practice.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The primary goal of the project proposed is to obtain a complex picture of the stochastic type of plastic response observed during the deformation of submicron sized crystalline samples. During the past years we built a nanodeformation stage suitable to perform tests in the chamber of the SEM/FIB. Unlike the commercially available ones the unique feature of the device is that it is designed being able to detect very fast stress or stain burst due to its analogous feedback system. An acoustic emission detector is also attached to the device to detect the sound waves generated by the collective motion of dislocations. (It should be noted that the motion of an individual dislocation is not detectable.) Such a complex setup is not available anywhere else. The large amount of micro-pillar compression tests planned will allow us to get a detailed statistical picture about the deformation process in such small samples.

The HR-EBSD measurement technique we are going to further develop is available only at the Department of the PI and at the University of Oxford. It is a completely new method being able to determine the probability distribution of the internal stress and the stress map generated by the dislocations. The evaluation method to determine the dislocation density from the stress distribution is based on the theoretical calculations of the PI. Once the open issues we are going to address are resolved we will have in hand a new powerful method to determine important microstructural parameters. We plan to apply the new method to study the deformation microstructure developing in deformed micro-pillars a study that has not been accomplished earlier.

The third issue we are going to work on is to further develop the continuum theory of dislocations. The first attempt to directly link the properties of individual dislocations to the evolution of continuous dislocation density field was developed by the PI. The theory has been recently extended to account for dislocation patterning in case of single slip. We are going to generalize it for multiple slip and we are planning to incorporate the stochastic character of dislocation motion observed experimentally.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
With the modern technology it is now possibleto fabricate micron side objects. Recent experimental investigation revealed that the deformation properties of such a small samples are rather different from the ones traditionally applied in engineering practice. The deformation process is characterized by sudden random drops of the stress. The actual response varies to specimen to specimen. So, basic quantities like the strength of the materials cannot be determined. In the micron size regime we can characterize the materials only on a probabilistic manner. In the project we are going to develop new experimental techniques, numerical and theoretical models to account for this new feature showing similarities with a number of known phenomena like earthquake. The results obtained can help to develop and design new miniature parts for several applications.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A kapott legfontosabb eredmények a következők: A 2D diszlokáció kontinuum elméletet továbbfejlesztettük. Egy sztochasztikus szimulációs módszerrel igazoltuk mintázatképzésre vonatkozó az elméleti jóstatok helyességét. A2D elméletet általánosítottuk görbe diszlokációk esetére. Az elmélet az első olyan, amelyet szisztematikusan levezettünk az egyedi diszlokációk elméletéből. Továbbfejlesztettük a nanodeformációs berendezésünket. Összenyomott Zn mikrooszlopokban megvizsgáltuk a feszültségesések és az akusztikus jelek statisztikus tulajdonságait. Fontos eredmény, hogy a mikrooszlopokban lejátszódó lavinák tulajdonságai nagyban hasonlítanak a földrengéseknél megfigyeltekkel. Magnézium mikrooszlopokban elsőként figyeltünk meg ikresedést. Egy új mintaszeletelési eljárással Cu mikrooszlopokban meghatároztuk a 3D feszültség és GND térképeket. Megállapítottuk, hogy hasonlóan a tömbi mintákhoz itt is kialakul egy cellaszerkezet. Az irodalomban először a HR-EBSD technikával diszlokáció cellaszerkezetet figyeltünk meg. Meghatároztuk a mintázat fraktál dimenzióját.
kutatási eredmények (angolul)
The results obtained are the following: The 2D continuum theory of dislocations was further developed. By the stochastic dislocation dynamics simulation method proposed pattern formation predicted by the theory was numerically investigated. The 2D continuum theory was generalized for the case of curved dislocation. The new theory is the first one obtained by a systematic manner. The custom made nanodeformation device was further improved. In compress Zn micropillars the statistical properties of stress drops and acoustic emission signals was analyzed in details. The results obtained indicate that despite the fundamental differences in deformation mechanism and involved length- and time-scales, dislocation avalanches and earthquakes are essentially alike. In magnesium beside dislocation motion twinning is a key mechanism of plastic deformation. For the first time we could detect twin nucleation and grows in compressed magnesium micropillaras. By a new sectioning method the 3D internal stress an GND maps was determined in compressed Cu micropillars. It is found that like in bulk deformed Cu crystal regions with large dislocation density develop in micropillars too. For the first time in the literature dislocation cell structure was observed by HR-EBSD in compressed Cu single crystals. The fractal dimension of the structure is also determined.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=119561
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Péter Dusán Ispánovity, Dávid Ugi, Gábor Péterffy, Michal Knapek, Szilvia Kalácska, Dániel Tüzes, Zoltán Dankházi, Kristián Máthis, František Chmelík, István Groma: Dislocation Avalanches: Earthquakes on the Micron Scale, arXiv preprint arXiv:2107.13334, submitted to Nature Communications, 2021
R Wu, D Tüzes, PD Ispánovity, I Groma, T Hochrainer, M Zaiser: Instability of dislocation fluxes in a single slip: Deterministic and stochastic models of dislocation patterning, Physical Review B 98 (5), 054110, 2018
David Canelo-Yubero Zsolt Kovács J.F. Thierry Simonet Fotso Domonkos Tolnai Norbert Schell Istvan Groma Cecilia Poletti: In-situ characterization of continuous dynamic recrystallization during hot torsion of an Al-Si-Mg alloy, Journal of Alloys and Compounds In press, 2020
Szilvia Kalácska, Zoltán Dankházi, Gyula Zilahi, Xavier Maeder, Johann Michler, Péter Dusán Ispánovity, István Groma: Investigation of geometrically necessary dislocation structures in compressed Cu micropillars by 3-dimensional HR-EBSD, Materials Science and Engineering: A 770, 138499, 2020
Gergely Farkas, Istvan Groma, Kristian Mathis, Jozef Vesely: Evaluation of X-ray Bragg peak profiles with variance method obtained by in-situ measurement on Mg-Al alloys, Journal of Applied Crystallography, accepted for publication, 2020
Berta, Dénes; Groma, Istvan; Ispánovity, Péter: Efficient numerical method to handle boundary conditions in 2D elastic media, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering submitted for publication, 2020
G Péterffy, PD Ispánovity I. Groma: An efficient implicit method for discrete dislocation dynamics simulations, Modelling and Simulation in Material Science and Engineereing, submitted for publication, 2020
Péter Dusán Ispánovity, Stefanos Papanikolaou, István Groma: Emergence and role of dipolar dislocation patterns in discrete and continuum formulations of plasticity, Physical Rewiev B 101 024105, 2020
David Canelo-Yubero Zsolt Kovács J.F. Thierry Simonet Fotso Domonkos Tolnai Norbert Schell Istvan Groma Cecilia Poletti: In-situ characterization of continuous dynamic recrystallization during hot torsion of an Al-Si-Mg alloy, Journal of Alloys and Compounds, 822 153282, 2020
Gergely Farkas, Istvan Groma, Kristian Mathis, Jozef Vesely: Evaluation of X-ray Bragg peak profiles with variance method obtained by in-situ measurement on Mg-Al alloys, Journal of Applied Crystallography, 53, 2020
Berta, Dénes; Groma, Istvan; Ispánovity, Péter: Efficient numerical method to handle boundary conditions in 2D elastic media, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 28 035014, 2020
G Péterffy, PD Ispánovity: An efficient implicit method for discrete dislocation dynamics simulations, Modelling and Simulation in Material Science and Engineereing, 28 035013, 2020
Szilvia Kalácska, Johannes Ast, Péter Dusán Ispánovity, Johann Michler, Xavier Maeder,: 3D HR-EBSD Characterization of the plastic zone around crack tips in tungsten single crystals at the micron scale, Acta Materialia 200, 211-222, 2020
K Zoller, S Kalácska, PD Ispánovity, K Schulz: Microstructure evolution of compressed micropillars investigated by in situ HR-EBSD analysis and dislocation density simulations, Acta Materialia, submitted for publication, 2021
G Péterffy, PD Ispánovity, ME Foster, X Zhou, RB Sills: Length scales and scale-free dynamics of dislocations in dense solid solutions, Materials Theory 4 (1), 1-25, 2020
Istán Groma, Péter Dusán Ispánovity, Thomas Hochrainer: On the dynamics of curved dislocation ensembles, Phys. Rev. B. submitted for publication (see arXiv preprint arXiv:2012.12560), 2021
Istán Groma, Péter Dusán Ispánovity, Thomas Hochrainer: On the dynamics of curved dislocation ensembles, Phys. Rev. B. 103 (17), 174101, 2021
Kristián Máthis, Michal Knapek, Filip Šiška, Petr Harcuba, Dávid Ugi, Péter Dusán Ispánovity, István Groma, Kwang Seon Shin: On the dynamics of twinning in magnesium micropillars, Materials & Design 203, 109563, 2021
István Groma: Statistical Theory of Dislocation, Mesoscale Models, 2019
Sz Kalácska, Z Dankházi, I Groma: Systematic study of structural changes in the vicinity of indentation marks with HR-EBSD, Materials Science and Engineering, 42, 012022, 2018
Ronghai Wu, Daniel Tüzes, Péter Dusán Ispánovity, István Groma, Thomas Hochrainer, Michael Zaiser: Instability oInstability of dislocation fluxes in a single slip: Deterf dislocation fluxes in a single slip: Deterministic and stochastic models of dislocation patterning, Physical Review B, 96, 054110, 2018
Szilvia Kalácska, István Groma, András Borbély, Péter Dusán Ispánovity: Comparison of the dislocation density obtained by HR-EBSD and X-ray profile analysis, Applied Physics Letters 110,091912, 2017
S Kalácska, Z Dankházi, I Groma: Systematic study of structural changes in the vicinity of indentation marks with HR-EBSD, Materials Science and Engineering 426 (1), 012022, 2018
Péter Dusán Ispánovity, Stefanos Papanikolaou, István Groma: Emergence and role of dipolar dislocation patterns in discrete and continuum formulations of plasticity, Physical Rewiev B in press, 2020
Ádám István Hegyi, Péter Dusán Ispánovity, Michal Knapek, Dániel Tüzes, Kristián Máthis, František Chmelík, Zoltán Dankházi, Gábor Varga, István Groma: Micron-Scale Deformation: A Coupled In Situ Study of Strain Bursts and Acoustic Emission, Microscopy and Microanalysis, 2017
Ronghai Wu, Daniel Tüzes, Péter Dusán Ispánovity, István Groma, Michael Zaiser: Deterministic and stochastic models of dislocation patterning, arXiv preprint arXiv:1708.05533 /submittee to PRB, 2017
Péter Dusán Ispánovity, Stefanos Papanikolaou, István Groma: The Emergence and Role of Dipolar Dislocation Patterns in Discrete and Continuum Formulations, arXiv preprint arXiv:1708.03710 /submitted to PRL, 2017




 

Projekt eseményei

  
2019-11-27 13:33:53
Résztvevők változása
2017-02-28 20:52:59
Résztvevők változása



vissza »