 |
Stochastic properties of micron-scale plasticity
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
105256 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Ispánovity, Péter Dusán |
| Title in Hungarian |
A mikronos skálájú plaszticitás sztochasztikus tulajdonságai |
| Title in English |
Stochastic properties of micron-scale plasticity |
| Keywords in Hungarian |
plaszticitás, diszlokáció, méreteffektus, mikrooszlop, diszlokáció lavinák |
| Keywords in English |
plasticity, dislocation, size effect, micropillar, dislocation avalanches |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Mechanical and thermal properties |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Department of Materials Physics (Eötvös Loránd University) |
| Starting date |
2012-09-01 |
| Closing date |
2016-02-29 |
| Funding (in million HUF) |
8.352 |
| FTE (full time equivalent) |
2.27 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kristályok plasztikus deformációját a mikronos tartományban nagy tér- és időbeli fluktuációk (diszlokációlavinák) jellemzik. Ezen fluktuációk hatására a fém egykristályok hagyományosan sima feszültség-deformáció görbéjén véletlen lépcsők jelennek meg. Ezáltal a plaszticitás sztochasztikus jellege mérhető mennyiségekben, mint pl. a folyásfeszültség is tükröződik. Ezen felül ebben a mérettartományban erős méreteffektus figyelhető meg, azaz a kisebb minták átlagos értelemben egyre keményebbé válnak. A tervezett kutatási projekt fő célja ezen, technológiai szempontból kulcsfontosságú folyamatok részletes megértése. Többek között az Eötvös Loránd Tudományegyetem SEM/FIB rendszerének segítségével tervezzük kísérleti úton vizsgálni a mikronos méretű egykristályok plasztikus deformációjának sztochasztikus tulajdonságait. A korábbi vizsgálatokkal szemben nem egyedi minták deformációs válaszát, hanem több, azonos paraméterekkel rendelkező mikrooszlopon végzett kísérlet eredményeinek statisztikus tulajdonságait tervezzük elemezni. Ezen felül diszkrét diszlokáció dinamikai szimulációk párhuzamos alkalmazásával lehetőség nyílik a diszlokációlavinák és a méreteffektus kvantitatív vizsgálatára. A rendszer további statisztikus tulajdonságainak vizsgálatával tervezzük az említett jelenségek egységes keretek között történő leírását. Célunk továbbá egy, a kísérleti és a szimulációs eredményekre alapozott sztochasztikus kontinuum modell megalkotása, melynek a technikai alkalmazásokban lehet kiemelkedő szerepe.
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.
Kis méretű anyagok plasztikus tulajdonságai gyakran jelentősen eltérnek a makroszkopikus mintákon megszokott viselkedéstől. Fém egykristályok esetén ha a minta mérete a néhány 10 um-es tartományba ér, a deformációt véletlenszerű lavinák jellemzik melyek hatására a deformáció megjósolhatatlanná válik. A kutatás egyik alapkérdése, hogy ezen sztochasztikus választ milyen valószínűségi eloszlások írják le. További fontos megválaszolandó probléma, hogy ezen véletlenszerű viselkedés kapcsolatba hozható-e a megfigyelt méreteffektussal, azaz azzal, hogy az egyre kisebb minták egyre keményebbé válnak. Hipotézisünk szerint a vizsgált mérettartományban (1-50 um) a fenti tulajdonságok a kristályban megtalálható diszlokációk kollektív viselkedésére vezethetőek vissza, ezért az eddig javasolt elméletek, melyek az egyedi diszlokációreakciók alapján próbáltak magyarázatot adni, csak a szubmikronos tartományban lehetnek érvényesek. Feltételezésünk szerint a fenti jelenségek egységesen kezelhetőek egy leggyengébb láncszem típusú elmélet keretei között. A kutatás során választ fogunk kapni arra a kérdésre is, hogy milyen szerepet játszik az átlagos diszlokáció távolság a méreteffektusban és a diszlokációlavina-eloszlásokban. Ezen hosszúság éppen a makroszkopikus egykristályos plaszticitást leginkább meghatározó skála, és nagyságrendileg éppen a vizsgált um-es tartományba esik.
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!
Manapság a nanotechnológia fejlődésével képesek lettünk új anyagok és eszközök létrehozására a szubmikrométeres skálán, jelentősen csökkentve ezáltal a felhasznált anyagok mennyiségét és a környezetre gyakorolt negatív hatást. Ahhoz, hogy további előrelépéseket érhessünk el ezen a területen, elengedhetetlen a felhasznált anyagok ezen skálán mutatott deformációs tulajdonságainak pontos ismerete és mély megértése. Az utóbbi évtized fókuszált kutatásai alapján világossá vált, hogy ezt a célt még olyan alapvető szerkezeti anyagok esetén, mint a kristályos fémek sem értük el maradéktalanul. A tervezett kutatás jelentősége, hogy egyrészt kísérleti úton vizsgálja egykristályos, um-es méretű tiszta fémek plasztikus tulajdonságainak sztochasztikus tulajdonságait, ezáltal bővítve a mérnöki tervezéshez elengedhetetlen ismereteket. Másrészt számítógépes modellezésre is támaszkodva vizsgálja a kapcsolódó jelenségek fizikai okait. Az így megszerzett ismeretek új szubmikronos anyagok és eljárások tervezésénél hasznosulhatnak. A kutatás további jelentősége, hogy egy olyan módszert - mikrooszlopok készítését fókuszált ionsugaras technológiával és azok deformációját nanoindentációs módszerrel - honosít meg Magyarországon, mely az utóbbi évtizedben vezető nemzetközi kutatóintézetekben immár rutinfeladattá vált. A projekt során így felhalmozódó tudás más, a jelen témához nem feltétlenül szorosan illeszkedő kutatás során is hasznosíthatóvá válik.
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.
Hagyományos méretű kristályos fémek (pl. réz, alumínium, stb.) deformációs tulajdonságait a mérnöki gyakorlat kellő alapossággal ismeri. Azonban az utóbbi néhány év áttörést eredményező kutatásai egyértelműen bizonyították, hogy ha a vizsgált minta mérete a mikrométeres nagyságrendbe esik, akkor a deformáció lavina-szerűvé válik. Ezek megjelenésével a deformáció mértéke, a nagy méretű mintákkal ellentétben, megjósolhatatlanná válik. Ez azt jelenti, hogy ebben a tartományban a fémek maradandó alakváltozásával kapcsolatban felhalmozódott évszázados tudás nem elegendő a jelenségek megértéséhez. Megfigyelhető továbbá, hogy az egyre kisebb minták, relatív értelemben, egyre keményebbé válnak. Mivel manapság a nanotechnológia fontos célkitűzései közé tartozik új eszközök kialakítása az említett mérettartományban, a bemutatott jelenség részletes kísérleti vizsgálata és elméleti leírása rendkívüli gyakorlati jelentősséggel bír. A tervezett kutatás az említett jelenségek valószínűségi aspektusait vizsgálja kísérleti módszerekkel és számítógépes modellezéssel. A munka fő célkitűzése a lavina-szerű viselkedés és a kis mérettartományban megfigyelhető keményedés egységes keretek között történő tárgyalása. Eredményeink e jelenségek mélyebb megértését fogják eredményezni és fontos bemenő paramétereket szolgáltatnak mérnöki alkalmazásokhoz. A projekt során egy világszínvonalú kísérleti módszert - mikrooszlopok elkészítését és deformációját - fogunk meghonosítani Magyarországon, ezáltal is növelve annak súlyát az egyre élesedő nemzetközi nanotechnológiai versenyben.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Micron-scale crystalline plasticity is characterized by large spatiotemporal fluctuations (dislocation avalanches). Due to these fluctuations random steps appear on the usually smooth stress-strain curve of a metallic single crystal. Consequently, the stochastic nature of plastic deformation is reflected in measurable quantities, like the yield stress. In addition, at this scale a strong size effect can be observed, that is, small samples become harder in average sense. The main objective of the planned research is to give a detailed understanding of these, technologically highly important, stochastic processes. We plan to investigate experimentally the statistical properties of micron-scale single crystal plasticity using the SEM/FIB device at the Eötvös Loránd University. Earlier investigations focused on the plastic properties of individual samples, here we aim at analysing statistically the plastic properties of an ensemble of identical micron-scale samples instead. In addition the parallel application of discrete dislocation dynamics simulations allows us to quantitatively study the dislocation avalanches and the size effect. With the analysis of further statistical properties of the system we plan to describe the mentioned phenomena in a general framework. Our intention is to develop a stochastic continuum model based on the experimental and numerical results of this project, that may have a prominent role in technical applications.
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.
Plastic properties of small specimens often differ from the usual behaviour of macroscopic bodies. For metallic single crystals when the specimen size reaches the range of few 10 um, the deformation gets characterized by random avalanches, making the deformation unpredictable. One of the main questions the research addresses is what kind of probabilistic distributions characterize this stochastic response. An additional question to be answered is if there is a link between this random behaviour and the size effect, that the smaller the sample is the harder it is in the average sense. According to our hypothesis, in the studied range (1-50 um) these properties stem from the collective dynamics of crystal dislocations. The theories proposed so far give explanations in terms of individual dislocation reactions and are, therefore, applicable only in the submicron range. We propose that the mentioned phenomena can be studied in the framework of a weakest link-type theory. The research will also explain the role of the average dislocation spacing in the size effect and avalanche size distributions. This length-scale is the most important one in macroscopic single crystal plasticity, and its value is precisely in the 1 um range.
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.
Nowadays, with the continuous progress of nanotechnology it has become possible to create new materials and devices on the submicrometer scale, resulting in a remarkable decrease in the amount of materials used and in the negative environmental impact. In order to make further steps in this field, it is essential to have a precise knowledge and a deep understanding of the deformation properties of the used materials at this scale. The concentrated research activities of the last decade have made it clear, that even for fundamental structural materials, like crystalline metals, this aim is not fully achieved. The significance of the planned project is, that, on the one hand, the stochastic properties of single crystalline plastic deformation of pure metals are investigated experimentally on the micrometer scale, thereby expanding the indispensable knowledge of engineering design. On the other hand, the physical origin of the related phenomena are investigated based on computer simulation. The knowledge accumulated during the project may be essential for developing new submicron materials and processes. Another significant aspect of the project is that it establishes a novel methodology - micropillar fabrication with a focused ion beam and its subsequent deformation with nanoindentation - in Hungary, that has become a state-of-the-art technique in leading international research centres in the last decade. The related know-how that will be accumulated can be used for other research activities that are not necessarily linked to the present field.
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.
The deformation properties of normal-sized crystalline metals (copper, aluminium, etc.) are explored in sufficient depth. But the breakthrough experiments of the last few years clearly demonstrated, that if the size of the specimen is dropped to the micrometer range, then the deformation becomes avalanche-like. With their appearance deformation, contrary to large samples, becomes unpredictable. This means, that at this scale the extensive accumulated knowledge on plastic deformation of metals fails to describe the emerging phenomena. Another experimental observation is that the smaller the sample gets, the relatively harder it becomes. Since nowadays one of the aims of nanotechnology is to fabricate devices of this size scale, the detailed experimental and theoretical description of the outlined phenomena is of utmost technological importance. The planned research investigates the probabilistic aspects of the phenomena discussed with experimental methods and computer modelling. The major aim of the work is to utilize avalanche-like behaviour and extraordinary hardness of small specimens in a general framework. Our findings will result in a deeper understanding of these phenomena and will serve as a valuable input for engineering applications. Within the project a state-of-the-art methodology - fabrication of micropillars and their subsequent deformation - will be established in Hungary, thereby enhancing its competitiveness in the continuously increasing international contest in nanotechnology.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
