Diszlokációlavinák kísérleti és elméleti vizsgálata  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
125380
típus KH
Vezető kutató Ispánovity Péter Dusán
magyar cím Diszlokációlavinák kísérleti és elméleti vizsgálata
Angol cím Experimental and theoretical investigations of dislocation avalanches
magyar kulcsszavak kristályplaszticitás, diszlokáció, lavina, statisztikus fizika
angol kulcsszavak crystal plasticity, dislocation, avalanche, statistical physics
megadott besorolás
Fizika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Mechanikai és hőmérsékleti tulajdonságok
zsűri Fizika
Kutatóhely Anyagfizikai Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők Groma István
Knapek Michal
Máthis Krisztián
Tüzes Dániel
Ugi Dávid
projekt kezdete 2017-09-01
projekt vége 2019-11-30
aktuális összeg (MFt) 19.979
FTE (kutatóév egyenérték) 5.28
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 kis mintaméretek esetén a fém egykristályok hagyományosan sima feszültség-deformáció görbéjén véletlen lépcsők jelennek meg. A vezető kutató által koordinált korábbi kutatás a lavinaméretek statisztikus analízisével kimutatta, hogy a plasztikus alakváltozás egy egzotikus univerzalitási osztályhoz tartozik, melyben a kritikus viselkedés nem korlátozódik egy pontra (melyet korábbi elképzelések a folyásfeszültséggel azonosítottak), hanem a feszültség-deformációs görbe minden pontjában megfigyelhető. A jelen pályázat ezen, a pályázathoz kapcsolódó kiváló közleményben publikált eredmények kísérleti vizsgálatát, elméleti leírását és az alkalmazások szempontjából releváns következményeinek feltárását célozza. Ennek érdekében az Eötvös Loránd Tudományegyetem SEM/FIB rendszerének segítségével fogjuk kísérleti úton vizsgálni a mikronos méretű egykristályok plasztikus deformációjának sztochasztikus tulajdonságait. A vizsgálatok hexagonális szerkezetű anyagokra fókuszálnak, mert ezek közelítik meg legjobban a kiváló közleményben vizsgált modellrendszert. Elméleti kutatásaink egyrészt a sztochasztikus viselkedés mikroszerkezeti okainak feltárása érdekében a lokális folyásfeszültségek meghatározására tesznek kísérletet a rendszert leíró dinamikai mátrix analízisével, másrészt beépítik az anomális kritikus viselkedést magasabb skálájú diszlokáció modellekbe, melynek jelentőségét a várható gyakorlati alkalmazások adják. A pályázat megvalósításától ezért a diszlokációk lavinaviselkedésének részletesebb megismerése és megértése várható.

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.

Mikronos 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 pályázathoz kapcsolódó kiváló közlemény egy modell diszlokációrendszerben megjelenő lavinák elméleti vizsgálatával kimutatta, hogy a rendszert minden esetben skála-független viselkedés jellemzi, mely szükségképpen a véges mintaméret által okozott effektusok megjelenését eredményezi. A jelen pályázat alapkérdései, hogy (i) kísérleti úton is kimutatható-e ez az általánosnak gondolt viselkedés, (ii) milyen mélyebb mikroszerkezeti okai vannak ezen viselkedésnek ill. (iii) milyen módon lehet ezt a viselkedést beépíteni magasabb skálájú plaszticitás modellekbe.

(i): A kérdés megválaszolása érdekében mikronos méretű Zn egykristályok mechanikai tulajdonságait valamint a deformáció során felszabaduló akusztikus jelek statisztikus jellemzőit fogjuk vizsgálni. A két mérés ötvözése (melyet elsőként kutatócsoportunknak sikerült megvalósítania) lehetőséget teremt az utóbbi mérés által szolgáltatott adatok és a deformáció elemi mechanizmusai közti összefüggések feltárására is.

(ii),(iii): Hipotézisünk szerint az anomális lavinaviselkedés fő kiváltó oka a deformáció hatására kialakuló diszlokációmintázatok formájában megjelenő, hosszú távú korrelációkkal jellemzett mikroszerkezeti rendezetlenség. Vizsgálataink várhatóan választ fognak adni arra a kérdésre is, hogy amorf rendszerekre miért nem jellemző az itt megfigyelt kritikus viselkedés.

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 még pontosabb 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 tiszta fémek sem értük el maradéktalanul. A pályázathoz kapcsolódó kiváló közlemény például kimutatta, hogy ebben a mérettartományban a deformáció során megfigyelhető fluktuációk statisztikus tulajdonságai jelentősen eltérnek a korábban feltételezett viselkedéstől. A tervezett kutatás jelentősége nem csupán abban áll, hogy egyrészt kísérleti úton vizsgálja a fluktuációkat, és ezzel hiteles adatokat szolgáltat az elmélet validációjához, hanem az akusztikus emissziós technológia ebben a mérettartományban való alkalmazásával jelentős metodikai fejlesztést is végrehajt, mely a későbbiekben más anyagcsaládok vizsgálatánál is jelentős szerepet kaphat. Ezen túlmenően, a lavinaviselkedés elméleti megértése, és az eredmények beépítése magasabb skálájú plaszticitás modellekbe egy olyan numerikus módszer kidolgozását jelenti, mely a mérnöki alkalmazásokban kis méretű mintadarabok tervezésénél és kialakításánál kerülhet felhasználásra. A projekt megvalósulása ezért hosszabb távon túlmutathat az alapkutatás keretein, mind a kísérleti eszközpark és know-how fejlesztése, mind az elméleti eredmények pozitívan járulhatnak hozzá a magyarországi anyagtudománnyal kapcsolatos ipari kutatások fejlődéséhez.

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 évtized 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. Kutatócsoportunk egy korábbi nemzetközi együttműködésben kimutatta, hogy a jelenség analóg a földkéreg lemezeinek mozgása által előidézett földrengésekkel abban a tekintetben, hogy az eseményekhez nem tartozik maximális méret. A jelen pályázat keretei között a lavinaviselkedés kísérleti és a korábbinál részletesebb elméleti vizsgálatát végezzük el, hiszen manapság a nanotechnológia fontos célkitűzései közé tartozik új eszközök kialakítása az említett mérettartományban melyben a bemutatott jelenség és annak hátterének pontos ismerete rendkívüli gyakorlati jelentőséggel bír. Mind a mérésekhez szükséges rendkívül precíz kísérleti metodika kialakítása, mind a gyakorlati szempontok által vezérelt elméleti kutatások várhatóan pozitív hatást fognak gyakorolni a hazai anyagtudományi ipari kutatásokra.
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. Previous research activities, co-ordinated by the PI of this proposal, by the statistical analysis of the magnitude of avalanche sizes have shown that plastic deformation belongs to an exotic universality class, in which critical behaviour is not only observed at a single point (which was previously identified with the yield point) but along the whole stress-strain curve. The present proposal aims at the experimental and theoretical study of this subject, published in the excellent publication related to this project, and to explore its technologically important implications. To this end, we will investigate the stochastic properties of the plastic deformation of micron-sized single-crystalline specimens using the SEM/FIB device of the Eötvös University. The experiments focus on hexagonal materials due to their similarity to the model system studied in the excellent publication. The theoretical investigations, on the one hand, will attempt to quantify the local yield thresholds using the analysis of the dynamical matrix of the system. On the other hand, they will implement the anomalous critical behaviour in higher-scale plasticity models, that is motivated by technological applications. Completion of the proposed project is, therefore, expected to deliver a more complete description and a deeper understanding of dislocation avalanches.

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 is reduced to the range of a few 10 um, the deformation gets characterized by random avalanches making the deformation unpredictable. By theoretical investigations of avalanches appearing in a model dislocation system it was shown in the excellent publication related to the proposal that the system exhibits scale-free behaviour that implies the appearance of finite-size effects. The main questions addressed by this proposal are (i) weather this behaviour can be proved experimentally, (ii) what are the microstructural reasons of this behaviour and (iii) how can these phenomena be incorporated into higher-scale continuum models.

(i): In order to answer the question we will investigate the mechanical properties of micron-scale Zn single crystalline samples as well as the statistical properties of the emitted acoustic signals. The combination of the two methods (first achieved by our research group) allows us to explore the relations between the data obtained by the latter method and the elementary mechanisms of deformation.

(ii),(iii): According to our hypothesis, the main reason of the anomalous avalanche behaviour is the microstructural disorder in the form of dislocation patterns developing upon strain, that are characterized by long-range spatial correlations. Our investigations are expected to also explain why the peculiar critical behaviour is not observed in amorphous systems.

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 develop 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 pure crystalline metals, this aim is not fully achieved. For example, in the excellent publication related to this proposal it was demonstrated that the statistical properties of the fluctuations observed during deformation differ considerably from the behaviour suggested earlier. The significance of the proposed project is not only that it provides reliable experimental data to validate the proposed theory, but by applying the acoustic emission technique at this sample size regime it also performs a significant methodological development, which may play an important role for other material classes, too. In addition, the theoretical understanding of avalanche behaviour and the inclusion of the results into higher-scale models leads to the development of a numerical method that is expected to help the design and manufacturing of small specimens in technological applications. The completion of the project, therefore, may reach beyond fundamental research since both the development of the experimental infrastructure and know-how and the theoretical results may contribute to the development of related industrial research within Hungary.

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 decade 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. In a previous international collaboration our research group has shown that the phenomenon is analogous with the earthquakes caused by the tectonic motion of Earth's crust in the sense that there is no limit for the maximum size of events. Within the frame of the proposed project we will perform the experimental and in-depth theoretical characterization of the avalanche behaviour, because nowadays it is a central aim of nanotechnology to construct devices at the submicron-scale, an endeavour in which the described phenomenon and its deep understanding bears extraordinary importance. Both the methodological developments aiming at achieving the exceptionally precise experimental characterization and the theoretical activities motivated by technological aspects are expected to have a positive impact on the industrial materials research in Hungary.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
Az utóbbi évtized anyagtudományi kutatásai alapján mára kiderült, hogy a fémek maradandó alakváltozása véletlenszerű, lokális lavina-szerű események sorozatának eredménye. A lavinákat a kristályban található diszlokációvonalak hirtelen átrendeződése idézi elő. A kutatás fő célkitűzése ezen viselkedés különböző aspektusainak kísérleti, elméleti és numerikus vizsgálata volt. A projekt keretében összenyomási kísérleteket végeztünk néhány um átmérőjű Zn oszlopokon, melyek során lehetőség nyílik az egyedi lavinák érzékelésére. A kísérletek során detektáltuk a mintában felszabaduló rugalmas hullámokat is, melyből nyilvánvalóvá vált, hogy a deformációs lavinák rokonságot mutatnak a földrengésekkel: mind a méretüket mind időbeli lefolyásukat analóg törvények írják le. Emellett kísérleti és elméleti úton tanulmányoztuk a fémekben a lavinák következtében kialakuló diszlokációmintázatok morfológiai tulajdonságait. Elméleti úton megmagyaráztuk továbbá, hogy a lavinák statisztikus tulajdonságai miért különböznek jelentős mértékben tiszta és szennyezett fémekben: az utóbbi esetben a szennyezők gátat szabnak a hosszútávú dinamikai korrelációk kialakulásának, ami kisebb méretű és lokalizált lavinákat eredményez. Ezen kutatási eredmények nagyban hozzájárulnak a maradandó alakváltozás fizikájának mélyebb megértéséhez, ezért középtávon hozzájárulhatnak jobban tervezhető mintaalakítási technológiák, továbbá jobb mechanikai tulajdonságú anyagok tervezéséhez.
kutatási eredmények (angolul)
The intensive research of the last decade revealed that plastic deformation of metals is the result of numerous subsequent random avalanche-like events. These avalanches are induced by the sudden rearrangement of line-like lattice dislocations. The main aim of the research was to study this phenomenon in more detail both experimentally, theoretically and with numerical simulation. Within the frame of this project compression experiments were performed on Zn pillars with a few um diameter as these allow for the measurement of individual avalanches. During the course of the experiments the elastic waves emitted from the samples were also recorded which made it clear that there is a close relationship between deformation avalanches and earthquakes: both the magnitude and the properties of the time sequence is characterized by analogous empirical laws. Besides, we also investigated experimentally and numerically the patterns of dislocations that develop upon the avalanche activity. In addition, we explained theoretically why are the statistical properties of avalanches significantly different in pure metals and those containing impurities. In the latter case the impurities prevent the build-up of long-range dynamical correlations, thus, avalanches remain small and localized. These results represent a significant contribution to our understanding of the physics of plasticity and are expected to contribute in the development of new methodologies of material design and processing.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125380
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Berta Dénes, Groma István, Ispánovity Péter Dusán: Efficient numerical method to handle boundary conditions in 2D elastic media, MODELLING AND SIMULATION IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 28: (3) p. 035014., 2020
Ispánovity Péter Dusán, Papanikolaou Stefanos, Groma István: Emergence and role of dipolar dislocation patterns in discrete and continuum formulations of plasticity, PHYSICAL REVIEW B 101: (2) 024105, 2020
Kalácska Szilvia, Dankházi Zoltán, Zilahi Gyula, Maeder Xavier, Michler Johann, Ispánovity Péter Dusán, Groma István: Investigation of geometrically necessary dislocation structures in compressed Cu micropillars by 3-dimensional HR-EBSD, MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING 770: 138499, 2020
Péterffy Gábor, Ispánovity Péter Dusán: An efficient implicit time integration method for discrete dislocation dynamics, MODELLING AND SIMULATION IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING, 2020
Wu RH, Tuzes D, Ispanovity PD, Groma I, Hochrainer T, Zaiser M: Instability of dislocation fluxes in a single slip: Deterministic and stochastic models of dislocation patterning, PHYS REV B 98: (5) Paper 054110. 15 p. , 2018
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, arXiv:1906.06980, 2019
Adam Takacs, Géza Tichy, Péter Dusán Ispánovity: Strain distribution in polycrystals: Theory and Application for Diffraction Experiments, arXiv:1812.02247, 2019
Péter Dusán Ispánovity, Stefanos Papanikolaou, István Groma: The Emergence and Role of Dipolar Dislocation Patterns in Discrete and Continuum Formulations of Plasticity, arXiv:1708.03710, 2019
Denes Berta, Istvan Groma, Peter Dusan Ispanovity: Efficient numerical method to handle boundary conditions in 2D elastic media, arXiv:1908.11422, 2019
Gábor Péterffy, Péter Dusán Ispánovity: An efficient implicit method for discrete dislocation dynamics simulations, arXiv:1909.05706, 2019




vissza »