Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory har dykt ner till atomskalan för att lösa varje "jiggle and wiggle" av atomrörelse som ligger bakom metallstyrkan.

I en första serie i sitt slag av datorsimuleringar fokuserade på metalltantal, laget förutspådde att, att uppnå vissa kritiska ansträngningsförhållanden, metallplasticitet (förmågan att ändra form under belastning) uppfyller sina gränser. En gräns nås när kristalldefekter som kallas dislokationer inte längre kan avlasta mekaniska belastningar, och en annan mekanism - twinning, eller den plötsliga omorienteringen av kristallgittret - aktiveras och tar över som det dominerande läget för dynamisk respons.

Forskningen visas i den 27 september upplagan av Natur som en förhandspublikation online.

Styrka och plasticitetsegenskaper hos en metall definieras av dislokationer, linjedefekter i kristallgittret vars rörelse orsakar materialglidning längs kristallplan. Teorin om kristalldislokation utvecklades först på 1930-talet, och mycket forskning sedan dess har fokuserat på dislokationsinteraktioner och deras roll i metallhärdning, där fortsatt deformation ökar metallens styrka (ungefär som en smed som dunkar på stål med en hammare). Samma simuleringar tyder starkt på att metallen inte kan stärkas för alltid.

"Vi förutspår att kristallen kan nå ett ultimat tillstånd där den flödar på obestämd tid efter att ha nått sin maximala styrka, sa Vasilij Bulatov, LLNL huvudförfattare till tidningen. "Forntida smeder visste detta intuitivt eftersom det huvudsakliga tricket de använde för att stärka sina metalldelar var att upprepade gånger hamra dem från olika sidor, precis som vi gör i vår metallknådningssimulering."

På grund av allvarliga begränsningar för tillgängliga längd- och tidsskalor, Det ansågs länge vara omöjligt eller till och med otänkbart att använda direkta atomistiska simuleringar för att förutsäga metallstyrka. Att dra full nytta av LLNL:s världsledande HPC-anläggningar genom ett bidrag från Laboratory's Computing Grand Challenge-program, teamet visade att inte bara sådana simuleringar är möjliga, men de levererar en mängd viktiga observationer om grundläggande mekanismer för dynamisk respons och kvantitativa parametrar som behövs för att definiera styrkemodeller som är viktiga för Stockpile Stewardship Program. Stockpile Stewardship garanterar säkerheten, säkerhet och tillförlitlighet för kärnvapen utan testning.

"Vi kan se kristallgittret i alla detaljer och hur det förändras genom alla stadier i våra metallhållfasthetssimuleringar, " sa Bulatov. "Ett tränat öga kan upptäcka defekter och till och med karakterisera dem i viss utsträckning bara genom att titta på gallret. Men ens öga blir lätt överväldigad av den framväxande komplexiteten hos metallmikrostruktur, vilket fick oss att utveckla exakta metoder för att avslöja kristalldefekter som, efter att vi tillämpat våra tekniker, lämna bara defekterna samtidigt som det återstående defektfria (perfekta) kristallgittret helt utplånas.

Forskargruppen utvecklade de första helt dynamiska atomistiska simuleringarna av plastisk hållfasthetsrespons av enkristalltantal utsatt för höghastighetsdeformation. Till skillnad från beräkningsmetoder för förutsägelse av styrka, atomistisk molekylär dynamiksimuleringar förlitar sig endast på en interatomisk interaktionspotential, lösa varje "jiggle and wiggle" av atomär rörelse och återge materialdynamik i full atomistisk detalj.