Mesoscale simulations of dislocation-obstacle interactions and dislocation avalanches

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-02-15
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
73 + app. 57
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 18/2017
Abstract
Plastic deformation in crystals is generated by the motion of line-like defects called dislocations, whose dynamics has thus the key role in determining the mechanical properties of crystalline materials like metals. In addition to line dislocations, metals can contain other defects that serve as obstacles for dislocation motion, leading to strengthening of the metal. The modelling of the interactions between these defects and dislocations is useful when developing new metal alloys. The interactions between dislocations themselves are based on the long-range anisotropic stress-fields that they generate by distorting the surrounding lattice. These long-range interactions and the motion constraints imposed by the lattice lead to complex dynamical behaviour. It has been observed in micropillar experiments of pure crystals that collective motion of dislocations happens in avalanches. The size and duration distributions of these avalanches follow power law scaling. It has been suggested that the exact form of these power laws could be explained with the idea that plastic yielding is a non-equilibrium phase transition. However, results from 2D discrete dislocation dynamics simulations indicate that in the case of pure crystals the collective dynamics of dislocations have glassy features similar to those found in jammed systems. In this thesis we use numerical simulations to study the properties of dislocations in different metals. In publication I we develop a multiscale framework for dislocation-precipitate interactions in body-centered cubic (BCC) iron. In this framework molecular dynamics simulations are used to provide physically justifiable input parameters for 3D discrete dislocation dynamics (DDD). The multiscale model is used in publication II to study the yielding of irradiated BCC iron at elevated temperatures. Irradiated iron contains line dislocations, precipitates and self-interstitial dislocation loops that impede dislocation motion. We show that precipitates and dislocation loops contribute equally to the yield stress when present at equal densities. In publication III we use extensive 3D DDD simulations to study dislocation avalanches in pure aluminium. Analysis of the avalanche statistics indicate that plastic deformation in face-centered cubic (FCC) crystals exhibit extended critical-like phase in analogy to glassy systems, instead of originating from a non-equilibrium phase transition at a critical stress.

Plastinen deformaatio kiteisissä aineissa perustuu viivamaisten kidevirheiden eli dislokaatioiden liikkeeseen. Tämän vuoksi dislokaatioiden dynamiikka vaikuttaa ratkaisevasti kiteisten aineiden, kuten metallien, mekaanisiin ominaisuuksiin. Viivamaisten dislokaatioiden lisäksi metallit voivat sisältää muita defektejä, jotka estävät dislokaatoiden liikettä johtaen näin metallin lujittumiseen. Muiden defektien ja dislokaatioiden välisten vuorovaikutusten tarkka mallintaminen on siten hyödyllistä kehitettäessä uusia metalliyhdisteitä. Dislokaatioiden keskinäiset vuorovaikutukset perustuvat niiden luomiin epäisotrooppisiin pitkän kantaman jännityskenttiin, jotka syntyvät, kun dislokaatio vääristää ympäröivää kidehilaa. Pitkän kantaman vuorovaikutukset ja kiteen rakenteen aiheuttamat liikerajoitteet johtavat monimutkaiseen kollektiiviseen käytökseen. Puhtaiden kiteiden mikropuristuskokeissa onkin haivattu, että dislokaatioiden kollektiivinen liike tapahtuu purskeittaisesti koostuen vyöryistä. Näiden vyöryjen koko -ja kestojakaumat noudattavat potenssilakeja, joiden tarkan muodon selitykseksi on ehdotettu, että plastinen myötääminen on epätasapainofaasitransitio. Tämä selitys on kuitenkin ristiriidassa kaksiulotteisten diskreettien dislokaatiodynamiikkasimulaatioiden tulosten kanssa. Näiden mukaan dislokaatioiden käyttäytymisessä on lasimaisia piirteitä, jotka ovat tyypillisiä jumiutuneille systeemeille. Tässä väitöskirjassa käytetään numeerisia simulaatiomenetelmiä dislokaatioiden ominaisuuksien tutkimiseen erilaisissa metalleissa. Julkaisussa I mallinnetaan dislokaatoiden vuorovaikutusta epäpuhtaussaostumien eli erkaumien kanssa yhdistämällä eri pituusskaaloissa toimivat simulaatiomenetelmät yhdeksi kokonaiseksi multiskaalamalliksi. Tässä mallissa molekyylidynaamisilla simulaatioilla generoidaan fysikaalisesti perusteltuja syötearvoja diskreettisiin dislokaatiodynamiikkasimulaatioihin. Julkaisussa II multiskaalamallia käytetään säteilytetyn raudan myötölujuuden tutkimukseen. Säteilytetty rauta sisältää dislokaatioiden lisäksi niiden kanssa voimakkaasti vuorovaikuttavia erkaumia ja dislokaatiorenkaita. Osoitamme, että dislokaatiorenkaat ja erkaumat ovat yhtä merkittäviä raudan lujittumisen kannalta silloin, kun molempia esiintyy yhtä suurilla tiheyksillä. Julkaisussa III tutkimme dislokaatiovyöryjä alumiinissa. Vyöryjen statististen ominaisuuksien perusteella päättelemme, että plastinen myötääminen pintakeskeisissä kuutiollisissa kiderakenteissa ei ole epätasapainofaasitransitio, vaan muistuttaa pikemminkin lasimaisissa materiaaleissa esiintyvää kriittistä faasia.
Description
Supervising professor
Alava, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Laurson, Lasse, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
dislocation avalanches, plastic deformation, precipitate hardening, irradiation damage, dislokaatiot, plastinen deformaatio, dislokaatiovyöryt, erkaumakarkaisu
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Arttu Lehtinen, Fredric Granberg, Lasse Laurson, Kai Nordlund, and Mikko J. Alava. Multiscale modeling of dislocation-precipitate interactions in Fe: From molecular dynamics to discrete dislocations. Physical Review E, 93, 1, 013309, January 2016. Full text Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609163935.
    DOI: 10.1103/PhysRevE.93.013309 View at publisher
  • [Publication 2]: Arttu Lehtinen, Lasse Laurson, Fredric Granberg, Kai Nordlund and Mikko J. Alava. Effects of precipitates and dislocation loops on mechanical properties of irradiated iron. submitted to Acta Materialia, November 2016
  • [Publication 3]: Arttu Lehtinen, Giulio Costantini, Mikko J. Alava, Stefano Zapperi and Lasse Laurson. Glassy features of crystal plasticity. Physical Review B, 94, 6, 064101, August 2016. Full text at aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201610135075.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.94.064101 View at publisher
Citation