dislocation, deformation instabilities, continuum theory of dislocations
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Physics
Panel
Physics
Department or equivalent
Department of Materials Physics (Eötvös Loránd University)
Participants
Györgyi, Géza Hegyi, Ádám István Ispánovity, Péter Dusán Kalácska, Szilvia Lendvai, János Szabó, Péter Tüzes, Dániel
Starting date
2012-09-01
Closing date
2016-11-30
Funding (in million HUF)
32.548
FTE (full time equivalent)
13.61
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az elmúlt évtized során a nanotechnológia fejlődésével lehetővé vált szubmikron méretű struktúrák, mint például mikropillárok, nanofüvek, nanodrótok, kialakítása. Ezeknek a szerkezeteknek a mechanikai tulajdonságai jól vizsgálhatók nanoindenterrel ill. atomerő mikroszkóppal. A kísérletek tanulsága szerint, ha a minta mérete 10um alá csökken a mechanikai tulajdonságok jelentősen eltérnek a tömbi anyagokétól. Az egyik ilyen jelenség az, hogy bizonyos esetekben a feszültség-deformáció görbék véletlen lépcsőket tartalmaznak, amelyeket diszlokáció lavinák okoznak. Emellett a felületek ill. szemcsehatárok szerepe egyre meghatározóbbá válik. Ennek következtében az ebbe a mérettartományba eső rendszerek esetében a hagyományos fenomenologikus elméletek már nem használhatók.
A pályázat célja az, hogy kísérletileg, számítógépes szimulációval és analitikus számításokkal tanulmányozzuk a diszlokációk statisztikus tulajdonságait. Ennek keretében szeretnénk továbbfejleszteni azt a diszlokáció kontinuum elméletet, amelyet a pályázó vezetésével dolgozó kutatócsoport mintegy egy évtizede javasolt és azóta is intenzív nemzetközi kutatások tárgya. Annak érdekében, hogy a kísérletileg megfigyelt véletlen folyamatokat is be tudjuk építeni az elméletbe a determinisztikus kontinuum elméletet egy megfelelő, a diszlokációk sebességeloszlásának tulajdonságait figyelembe vevő, véletlen taggal tervezzük kiegészíteni.
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. A mérnöki gyakorlatban a kristályos anyagok plasztikus tulajdonságait fenomenologikus elméletekkel írják le. Ez a megközelítés nagyon jól működik a makroszkopikus méretű rendszerekre. Azonban, ha a minta mérete vagy a szemcseméret a mikron mérettartományba esik ez a klasszikus leírás a kísérletek tanulsága szerint már nem használható. Másrészről egy deformált mintában a diszlokációk átlagos távolsága 100 nm körül van. Így a mikron méretű mintákban a diszlokációk kölcsönhatása és kollektív mozgása fontos szerepet játszik.
Alapvető fontoságú kérdés amelyen a pályázat megvalósítása során dolgozni tervezünk az, hogy kidolgozzuk a diszlokációk egy olyan statisztikus térelméletét, amely az egyedi diszlokációk kölcsönhatásán és mozgásán alapszik. Más szavakkal megfogalmazva, szeretnénk kidolgozni egy olyan elméletet, amely szisztematikus módon összeköti a diszlokációk mikroszkopikus és mezoszkopikus leírását.
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 modern technológia fejlődésével a különböző alkalmazásokban használt szerkezeti alkatrészek mérete jelentősen csökkent. Ugyanakkor a kísérletek tanulsága szerint azok a módszerek amelyeket a makroszkopikus méretű rendszerek tervezésénél sikerrel használtak már nem alkalmazhatók ha az alkatrészek mérete 10um alá csökken.
Habár a tervezett munka alapkutatás jellegű, a kísérleti vizsgálatokkal, számítógépes szimulációval és analitikus számításokkal kapott eredmények reményeink szerint hamarosan átültethetők a mérnöki gyakorlatba is.
Emellett, topológiai hibák (diszlokáció, szemcsehatár, stb.) sok más periodikus rendszerben, mint például, szupravezető Abrikosov rács, poros plazma ill. kolloid kristályok, fontos szerepet játszanak. A projekt eredményei hozzájárulhatnak ezeknek a rendszereknek a jobb megértéséhez is.
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 modern technológia alkalmazásáéval a különböző alkalmazásokban használt alkatrészek mérete a mikron mérettartományra csökkent. Kísérleti és számítógépes szimulációk tanulsága szerint a mikron méretű rendszerek mechanikai tulajdonságai jelentősen eltérnek a makroszkopikus méretű rendszerekétől. Ahogy a rendszer mérete csökken új fizikai folyamatok jelennek meg. Az ilyen méretű rendszerek tulajdonságai nem írhatók le a mérnöki gyakorlatban használt egyenletekkel. Ahhoz, hogy a fellépő jelenségeket megértsük a diszlokációk kollektív tulajdonságainak feltárása szükséges. Ennek eléréséhez statisztikus fizikai ill. valószínűségszámítási módszerek alkalmazására van szükség.
A jelen projekt célja a diszlokációk statisztikus tulajdonságainak vizsgálata, kísérlet módszerekkel, számítógépes szimulációval és analitikus számításokkal. A célunk annak a diszlokáció kontinuum elméletnek a továbbfejlesztése, amelyet a pályázó vezetésével dolgozó kutatócsoport az utóbbi 10 év folyamán nemzetközi együttműködésben kidolgozott. A kapott eredmények segíthetnek új eszközök tervezésében a mikroelektronikában és a gyógyászatban.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. During the past decade with the fast development in nanotechnology it became possible to fabricate structures with submicron size, like micropoillar, nanograss or nanowires. Their mechanical properties can be studied by nanoindenter and atomic force microscope. Recent investigations indicate that if the characteristic size of the sample is below 10um the mechanical properties are strongly differ from the bulk ones. The stress-strain curves consist of random irregular steps caused by dislocation avalanches. Besides, the role of boundaries (sample surface, grain boundary) become dominant. As a result of these the plastic properties of systems with characteristic size in the range of micron cannot be described with traditional phenomenological method commonly used in the past.
The aim of the current proposal is to study the statistical properties of dislocation systems by experimental, computer simulation, and analytical methods. We are going to further develop and extend the continuum theory of dislocation initiated by the group of the PI nearly a decade ago. In order to be able to incorporate stochastic effects observed experimentally we are going to add a random term to the deterministic continuum equations. The form of the stochastic term will be based on the properties of the probability distribution of dislocation velocities.
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. In the engineering practice the plastic properties of crystalline materials are described with phenomenological rules. This approach works extremely well to characterize macroscopic systems. If, however, the system (or grain) size is reduced to micron the classical approach is not suitable to account for the phenomena observed experimentally. On the other hand the dislocation spacing in a deformed sample is in the order of 100nm, so in a micron sized specimen the interaction and the collective motion of dislocations are important.
The key issue the project proposed is going to focus is to establish a statistical theory of dislocations based on the known interaction and motion of the individual dislocations. With other words, we are going the elaborate a systematic link between the micro and mezoscale descriptions of dislocations.
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. With modern technology the characteristic size of the structural parts one can fabricate is reduced considerably. According to experimental investigations the methods used in designing macroscopic parts cannot be applied if the part size is below 10um.
Although the project proposed is basic research, the results we hope to obtain can lead to new analytical and numerical methods that can be successfully applied in engineering practice.
Moreover, topological defects (dislocation, grain boundary, etc.) are important in many other periodic systems, like Abrikosov lattice in superconductors, dusty plasma, colloid crystals, etc. The results of the project can help for the better understanding of these systems too.
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 modern technology the characteristic size of the structural parts one can fabricate is reduced to the order of micron. Experimental investigations and computer simulations revealed that the mechanical properties of micron sized systems are strongly different from the macroscopic ones. Completely new physical phenomena emerge as the system size is reduced. It turn out that the deformation response of such a systems cannot be described with equations commonly used in engineering practice. The collective properties of different crystal defects has to be understood. In order to achieve this goal one has to apply statistical physical and probabilistic approaches.
The aim of the current proposal is to study the statistical properties of dislocation systems by experimental, computer simulation, and analytical methods. We are going to further develop and extend the continuum theory of dislocation initiated by the group of the PI nearly a decade ago.
The results we hope to obtain can help in designing new parts applied in different areas, like microelectronic or health therapy.
Final report
Results in Hungarian
A projekt célja mikron méretű kristályos objektumok deformációja során fellépő sztochasztikus jelenségek statisztikus fizikai vizsgálata elméleti és kísérleti módszerekkel. Az elvégzett vizsgálatok 5 csoportba oszthatók. A kapott legfontosabb eredmények a következők:
A diszlokációk korábbi kontinuum elméletét továbbfejlesztettük. Az új elmélet képes leírni a szemcsehatárok közelében kialakuló diszlokációeloszlást valamint számot tud adni diszlokáció mintázatok kialakulásáról.
Részletesen vizsgáltuk diszkrét diszlokáció dinamikai (DDD) szimulációval a diszlokáció lavinák tulajdonságait. Számtalan új jelenséget tanulmányoztunk részletesen.
Egy új mezoszkopikus sztochasztikus modellt javasoltunk. Ez a mikroszkopikus DDD szimuláció és a teljesen determinisztikus kontinuum modell közötti átmenetet teremti meg.
Építettünk egy olyan nanodeformációs berendezést amivel a SEM kamrájában tudunk in situ deformációs méréseket elvégezni. Az új berendezéssel Cu, Zn, ill. Al ötvözetekből készített mikrooszlopokon vizsgáltuk a diszlokáció lavinák tulajdonságait.
Javasoltunk egy új módszer a kristályos anyagokban kialakuló belső feszültségek EBSD-vel történő meghatározására. A kapott eredményeket röntgen vonalprofil mérésekkel vetettük össze deformált Cu egykristályokon.
Results in English
The main objective of the work proposed in the project was the experimental and theoretical
investigation of the statistical properties of the deformation of micron sized objects. The
research carried out can be separated into five different tasks. The results obtained are the
following:
The continuum theory of dislocations was further developed. Now it is able to describe dislocation
density variation near a boundary and it predicts dislocation patterning too.
The properties of dislocation avalanches were studied by discrete dislocation dynamics (DDD)
simulations. Several new features of the collective motion of dislocations were analyzed in
details.
A new mesoscopic stochastic model was proposed. It represents a link between the DDD
approach corresponding to the microscale and the fully deterministic continuum descriptions.
A nanodeformation device suitable to perform compression tests in the chamber of a SEM
was developed. With the new device compression tests were performed on Cu, Zn, and Al
alloy micropillars to study dislocation avalanches.
A new method was proposed to determine the internal stress distribution by EBSD. The results
obtained were compares to X ray line profile measurements on compressed Cu single crystals.
I Groma, M Zaiser, PD Ispánovity: Dislocation patterning in a two-dimensional continuum theory of dislocations, Physical Review B 93 (21), 214110, 2016
P Szabó, PD Ispánovity, I Groma: Plastic strain is a mixture of avalanches and quasireversible deformations: Study of various sizes, Physical Review B 91 (5), 054106, 2015
Á Hegyi, PD Ispánovity, M Knapek, D Tüzes, K Máthis, F Chmelík, Z Dankházi, G Varga, I Groma: Micron-scale deformation: a coupled in-situ study of strain bursts and acoustic emission, arXiv preprint arXiv:1604.01815, Submitted for publication to Microscopy and Microanalysis, 2016
S Kalácska, I Groma, A Borbély, PD Ispánovity: Comparison of the dislocation density obtained by HR-EBSD and X-ray profile analysis, arXiv preprint arXiv:1610.08915, Submitted for publication to Applied Physics Letters, 2016
D Tüzes, M Zaiser, PD Ispánovity: Disorder is good for you: The influence of local disorder on strain localization and ductility of strain softening materials, arXiv preprint arXiv:1604.01821, Submitted for publication to International Journal of Fracture, 2016
Ispánovity PD, Hegyi Á, Groma I, Györgyi G, Ratter K, Weygand D: Average yielding and weakest link statistics in micron-scale plasticity, ACTA MATERIALIA (ISSN: 1359-6454) 61: (16) pp. 6234-6245. (2013), 2013
Groma I, Tüzes D, Ispánovity PD: Asymmetric X-ray line broadening caused by dislocation polarization induced by external load, SCRIPTA MATERIALIA (ISSN: 1359-6462) 68: (9) pp. 755-758., 2013
Péter Dusán Ispánovity, Lasse Laurson, Michael Zaiser, István Groma, Stefano Zapperi, Mikko J. Alava: Avalanches in 2D Dislocation Systems: Plastic Yielding is not Depinning, arXiv:1307.3377, 2013
Péter Dusán Ispánovity, Lasse Laurson, Michael Zaiser, István Groma, Stefano Zapperi, Mikko J. Alava: Avalanches in 2D Dislocation Systems: Plastic Yielding is not Depinning, PRL 112: Paper 235501, 2014
Peter Szabo, Peter Dusan Ispanovity, Istvan Groma: Plastic strain is a mixture of avalanches and quasi-reversible deformations: Study of various sizes, arXiv:1408.2444, 2014
Istvan Groma, Zoltan Vandrus, Peter Dusan Ispanovity: Scale-free phase field theory of dislocations, arXiv:1404.6344, 2014
Peter Szabo, Peter Dusan Ispanovity, Istvan Groma: Plastic strain is a mixture of avalanches and quasi-reversible deformations: Study of various sizes, PHYSICAL REVIEW B 91:(5) Paper 054106, 2015
Istvan Groma, Zoltan Vandrus, Peter Dusan Ispanovity: Scale-free phase field theory of dislocations, PHYSICAL REVIEW LETTERS 114:(1) Paper 015503. 5 p., 2015
PD Ispánovity, D Tüzes, P Szabó, M Zaiser, I Groma,: The role of weakest links and system size scaling in multiscale modeling of stochastic plasticity, Accepted for publication in Physical Review B, 2016
