Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory zijn naar de atomaire schaal gedoken om elk "schudden en wiebelen" van atomaire beweging op te lossen die ten grondslag ligt aan de metaalsterkte.

In een eerste in zijn soort reeks computersimulaties gericht op metaaltantaal, het team voorspelde dat, bij het bereiken van bepaalde kritische condities van overbelasting, metaalplasticiteit (het vermogen om onder belasting van vorm te veranderen) bereikt zijn grenzen. Eén limiet wordt bereikt wanneer kristaldefecten, bekend als dislocaties, niet langer in staat zijn om mechanische belastingen te verlichten, en een ander mechanisme - twinning, of de plotselinge heroriëntatie van het kristalrooster - wordt geactiveerd en neemt het over als de dominante modus van dynamische respons.

Het onderzoek verschijnt in de editie van 27 september van: Natuur als een Advance Online Publicatie.

De sterkte- en plasticiteitseigenschappen van een metaal worden bepaald door dislocaties, lijndefecten in het kristalrooster waarvan de beweging het wegglijden van materiaal langs kristalvlakken veroorzaakt. De theorie van kristaldislocatie werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren dertig, en sindsdien heeft veel onderzoek zich gericht op dislocatie-interacties en hun rol bij het harden van metalen, waarbij voortdurende vervorming de sterkte van het metaal verhoogt (net als een smid die met een hamer op staal slaat). Dezelfde simulaties suggereren sterk dat het metaal niet voor altijd kan worden versterkt.

"We voorspellen dat het kristal een ultieme staat kan bereiken waarin het voor onbepaalde tijd kan stromen nadat het zijn maximale sterkte heeft bereikt, " zei Vasily Bulatov, LLNL hoofdauteur van het artikel. "Oude smeden wisten dit intuïtief omdat de belangrijkste truc die ze gebruikten om hun metalen onderdelen te versterken, was om ze herhaaldelijk van verschillende kanten te hameren, net zoals we dat doen in onze metaalkneedsimulatie."

Vanwege strenge beperkingen op toegankelijke lengte- en tijdschalen, het werd lange tijd onmogelijk of zelfs ondenkbaar geacht om directe atomistische simulaties te gebruiken om de metaalsterkte te voorspellen. Ten volle profiteren van de toonaangevende HPC-faciliteiten van LLNL via een subsidie ​​van het Computing Grand Challenge-programma van het laboratorium, het team toonde aan dat dergelijke simulaties niet alleen mogelijk zijn, maar ze leveren een schat aan belangrijke observaties op over fundamentele mechanismen van dynamische respons en kwantitatieve parameters die nodig zijn om krachtmodellen te definiëren die belangrijk zijn voor het Stockpile Stewardship Program. Stockpile Stewardship zorgt voor de veiligheid, veiligheid en betrouwbaarheid van kernwapens zonder testen.

"We kunnen het kristalrooster in alle details zien en hoe het verandert door alle stadia in onze metaalsterktesimulaties, " Zei Bulatov. "Een getraind oog kan defecten zien en ze zelfs tot op zekere hoogte karakteriseren door alleen maar naar het rooster te kijken. Maar je oog wordt gemakkelijk overweldigd door de opkomende complexiteit van de metalen microstructuur, wat ons ertoe bracht nauwkeurige methoden te ontwikkelen om kristaldefecten aan het licht te brengen die, nadat we onze technieken hebben toegepast, laat alleen de defecten achter terwijl het resterende defectloze (perfecte) kristalrooster volledig wordt weggevaagd.

Het onderzoeksteam ontwikkelde de eerste volledig dynamische atomistische simulaties van de plastische sterkterespons van eenkristaltantaal dat onderhevig is aan snelle vervorming. In tegenstelling tot computationele benaderingen voor sterktevoorspelling, atomistische moleculaire dynamica-simulaties vertrouwen alleen op een interatomair interactiepotentieel, los elk "wiebelen en wiebelen" van atomaire beweging op en reproduceren materiële dynamiek in volledig atomistisch detail.