A mikronos skálájú plaszticitás sztochasztikus tulajdonságai  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
105256
típus PD
Vezető kutató Ispánovity Péter Dusán
magyar cím A mikronos skálájú plaszticitás sztochasztikus tulajdonságai
Angol cím Stochastic properties of micron-scale plasticity
magyar kulcsszavak plaszticitás, diszlokáció, méreteffektus, mikrooszlop, diszlokáció lavinák
angol kulcsszavak plasticity, dislocation, size effect, micropillar, dislocation avalanches
megadott besorolás
Fizika (Matematikai, Fizikai, Kémiai és Mérnöki Tudományok)100 %
Ortelius tudományág: Mechanikai és hőmérsékleti tulajdonságok
zsűri Fizika
Kutatóhely Anyagfizikai Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
projekt kezdete 2012-09-01
projekt vége 2016-02-29
aktuális összeg (MFt) 8.352
FTE (kutatóév egyenérték) 2.45
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI 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.
angol összefoglaló
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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

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.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A fémek mechanikai tulajdonságai (keménység, képlékenység, stb.) alapvetően változnak meg, ha a deformálandó minta mérete a mikrométeres tartományba ér. Ekkor a régóta ismert folytonos, viszkózus-szerű alakváltozás sztochasztikussá, azaz véletlenszerűvé, megjósolhatatlanná válik. A deformáció diszkrét, lavinaszerű események sorozataként áll elő, melyek mind időben, mind térbeli elhelyezkedésükben véletlenszerűek. A kutatás fő célkitűzése ezen viselkedés különböző aspektusainak kísérleti, elméleti és numerikus vizsgálata volt. A munka keretében, többek között, kidolgoztuk a mikrométer átmérőjű minták (ún, mikrooszlopok) készítésének hatékony eljárását, egy arra alkalmas összenyomógéppel pedig elvégeztük azok deformációját 1 uN ill. 0,1 nm felbontással egy pásztázó elektronmikroszkópban. Az eredmények alapján megalkottuk a plasztikus folyás statisztikus értelmezését ill. annak méretfüggését ebben a mérettartományban továbbá megmértük és értelmeztük a deformáció során keletkező akusztikus jeleket. Megalkottunk továbbá egy fizikai modellt, mely számot ad a kristályban található hibák mintázatképződéséről, ill. egy pontosabb leírását adtuk meg a deformációs lavinák statisztikus tulajdonságainak. Az eredmények nagyban hozzájárulnak a sztochasztikus alakváltozás mélyebb megértéséhez, ezért középtávon hozzájárulhatnak jobban tervezhető mintaalakítási technológiák kifejlesztéséhez, ill. jobb mechanikai tulajdonságú anyagok tervezéséhez.
kutatási eredmények (angolul)
The mechanical properties of metals (hardness, ductility, etc.) change dramatically when the sample size is reduced to the micrometer scale. In this case the long known continuous, viscous-like deformation becomes stochastic, that is, random and unpredictable. Deformation proceeds in discrete, avalanche-like events that are random both in time and spatial position. The main goal of the research was to study different aspects of this phenomenon in terms of experiments, theory and numerical modelling. In the frame of this project, among other achievements, we developed the efficient methodology of fabricating micron-scale samples (so called micropillars), and compressed them with a suitable device with 1 uN and 0.1 nm precision. Based on the results a new statistical interpretation of plastic flow and its sample size dependence was derived, and we measured and explained acoustic emission signals being emitted during deformation. In addition, a new physical model was developed that is capable of describing the pattern formation of lattice defects in the crystal and we derived a precise statistical description of deformation avalanches. The results represent a significant contribution to our understanding of stochastic deformation and are expected to help the development of new methodologies of micron-scale material design and processing in intermediate terms.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105256
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Ispánovity PD; Hegyi Á; Groma I; Györgyi G; Ratter K; Weygand D: Average yielding and weakest link statistics in micron-scale plasticity, Acta Mater 61: 6234-6245, 2013
Groma I; Tüzes D; Ispánovity PD: Asymmetric X-ray line broadening caused by dislocation polarization induced by external load, Scr Mater 68: 755–758, 2013
Ispánovity PD; Laurson L; Zaiser M; Groma I; Zapperi S; Alava MJ: Avalanches in 2D Dislocation Systems: Plastic Yielding is not Depinning, arXiv:1307.3377, 2013
Ispánovity PD; Hegyi Á; Groma I; Györgyi G; Ratter K; Weygand D: Average yielding and weakest link statistics in micron-scale plasticity, Acta Mater 61: 6234-6245, 2013
Groma I; Tüzes D; Ispánovity PD: Asymmetric X-ray line broadening caused by dislocation polarization induced by external load, Scr Mater 68: 755–758, 2013
Ispánovity PD; Laurson L; Zaiser M; Groma I; Zapperi S; Alava MJ: Avalanches in 2D Dislocation Systems: Plastic Yielding is not Depinning, Phys Rev Lett 112: 235501, 2014
Kovács Zs; Ezzeldien M; Máthis K; Ispánovity PD; Chmelík F; Lendvai J: Statistical analysis of acoustic emission events in torsional deformation of a Vitreloy bulk metallic glass, Acta Mater 70: 113-122, 2014
Groma I; Vandrus Z; Ispánovity PD: Scale-free phase field theory of dislocations, arXiv:1404.6344, 2014
Szabó P; Ispánovity PD; Groma I: Plastic strain is a mixture of avalanches and quasi-reversible deformations: Study of various sizes, arXiv:1408.2444, 2014
Szabó P; Ispánovity PD; Groma I: Plastic strain is a mixture of avalanches and quasi-reversible deformations: Study of various sizes, Phys Rev B 91: 054106, 2015
Groma I, Vandrus Z, Ispánovity PD: Scale-free phase field theory of dislocations, Phys Rev Lett 114: 015503, 2015
Groma I; Zaiser M; Ispánovity PD: Dislocation patterning in a 2D continuum theory of dislocations, arXiv, 2016
Ispánovity PD, Tüzes D, Szabó P, Zaiser M, Groma I: The role of weakest links and system size scaling in multiscale modeling of stochastic plasticity, arXiv, 2016
Hegyi Á, Ispánovity PD, Knapek M, Tüzes D, Máthis K, Chmelík F, Dankházi Z, Varga G, Groma I: Micron-scale deformation: a coupled in-situ study of strain bursts and acoustic emission, arXiv, 2016
Tüzes D, Zaiser M, Ispánovity PD: Disorder is good for you: The influence of local disorder on strain localization and ductility of strain softening materials, arXiv, 2016




vissza »