För att förstå exakt hur metaller svarar på höghastighetskompression i simuleringar av molekylär dynamik, LLNL-forskare använder nya metoder för kiselmikroskopi för att avslöja defekter i kristallgittret (gröna och röda linjer och grå ytobjekt överst) samtidigt som de tar bort alla atomer (gula bollar längst ner) för klarhet. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
För att lösa ett 100-årigt pussel inom metallurgi om varför enkristaller visar iscensatt härdning medan andra inte gör det, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare tog det ner till atomistisk nivå.
Forskningen visas i 5 oktober upplagan av Naturmaterial .
I årtusenden, människor har utnyttjat metallernas naturliga egenskaper för att bli starkare eller hårdna när de deformeras mekaniskt. Ytterst rotad i rörelsen av dislokationer, mekanismer för metallhärdning har funnits i hårkorset hos fysiska metallurger i mer än ett sekel.
Teamet som leds av LLNL-materialforskaren Vasily Bulatov utförde atomistiska simuleringar vid gränserna för superdatorer som är tillräckligt stora för att vara statistiskt representativa för makroskopisk kristallplasticitet men ändå fullt beslutna att undersöka ursprunget till metallhärdning på dess mest grundläggande nivå av atomrörelse. Simuleringarna utfördes på superdatorerna Vulcan och Lassen vid Livermore och Mira superdatorer vid Argonne Laboratory Computational Facility.
Grundorsakerna till metallhärdning förblev okända fram till för 86 år sedan, när dislokationer - krökta kristalldefekter gjorda av gallerstörning - föreslogs vara ansvariga för kristallplasticitet. Trots att ett direkt orsakssamband mellan dislokationer och kristallplasticitet är fast etablerat, inget team har observerat vad dislokationer gör in situ - under påfrestning - i bulkmaterialet.
"Vi litade på en superdator för att klargöra vad som orsakar metallhärdning, sa Bulatov. "Istället för att försöka härleda härdning från de underliggande mekanismerna för dislokationsbeteende, som har varit dislokationsteorins strävan i decennier, vi utförde ultrastorskaliga datorsimuleringar på en ännu mer grundläggande nivå - atomernas rörelse som kristallen är gjord av."
Teamet visade att den ökända stegvisa (böjnings)härdningen av metaller är en direkt följd av kristallrotation under enaxlig spänning. I strid med vitt skilda och motsägelsefulla åsikter i litteraturen, forskare fann att de grundläggande mekanismerna för dislokationsbeteende är desamma i alla stadier av metallhärdning.
"I våra simuleringar såg vi exakt hur rörelsen hos enskilda atomer översätts till rörelsen av dislokationer som kombineras för att producera metallhärdning, sa Bulatov.
