Nghiên cứu động lực phân tử lỗ rỗng trong đồng - Luận án tiến sĩ Đại học California San Diego
Luận văn phân tích các phương pháp machine learning trong xử lý ngôn ngữ tự nhiên, đề xuất mô hình cải tiến hiệu suất và ứng dụng thực tế.
Engineering Sciences (Mechanical Engineering)
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
205
Thời gian đọc
31 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Động lực học phân tử: Nghiên cứu lỗ rỗng Đồng
- Số trang:
- 205 trang
- Trường:
- University of California, San Diego
- Chuyên ngành:
- Engineering Sciences (Mechanical Engineering)
- Tác giả:
- Sirirat Traiviratana
- Năm:
- 2008
Tóm tắt nội dung luận án
I.Động lực học phân tử Nghiên cứu lỗ rỗng Đồng
Nghiên cứu này sử dụng Mô phỏng Động lực học phân tử để khám phá chi tiết về lỗ rỗng trong Đồng. Tập trung vào quá trình khởi phát và phát triển của chúng. Phân tích được thực hiện trên cả Đồng đơn tinh thể và nanocrystalline. Hiểu biết về cơ chế lỗ rỗng là rất quan trọng để dự đoán và cải thiện độ bền vật liệu. Các mô hình liên tục truyền thống thường bỏ qua chi tiết nguyên tử. Phương pháp Động lực học phân tử cung cấp cái nhìn sâu sắc. Nó cho phép quan sát trực tiếp các tương tác nguyên tử. Mục tiêu là làm sáng tỏ các cơ chế vật lý ở cấp độ vi mô. Điều này giúp giải thích hành vi vật liệu dưới tải trọng.
1.1. Mục tiêu nghiên cứu Động lực học phân tử.
Nghiên cứu này xác định cơ chế khởi phát lỗ rỗng. Nó khám phá quá trình phát triển lỗ rỗng trong Đồng đơn tinh thể và Đồng đa tinh thể. Phân tích tác động của các điều kiện tải trọng khác nhau được thực hiện. Mô phỏng nguyên tử cung cấp cái nhìn chi tiết về hành vi vật liệu. Đánh giá sự hình thành và phát triển của các khuyết tật tinh thể là trọng tâm. Mục tiêu chính là hiểu rõ hơn về tính chất cơ học của Đồng. Điều này giúp dự đoán độ bền và khả năng chống hư hại của vật liệu. Kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ phát triển các vật liệu mới với độ bền cao hơn. Nâng cao kiến thức về cơ học vật liệu ở cấp độ nguyên tử là một mục tiêu quan trọng.
1.2. Tổng quan về lỗ rỗng trong Đồng.
Lỗ rỗng đại diện cho các khuyết tật cấu trúc quan trọng trong vật liệu kim loại. Chúng xuất hiện trong quá trình biến dạng dẻo, đặc biệt dưới tác động của ứng suất kéo. Sự hiện diện của lỗ rỗng làm suy giảm đáng kể tính chất cơ học. Dẫn đến sự giảm độ bền, độ dẻo, và cuối cùng là nứt gãy, phá hủy vật liệu. Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu cường độ cao. Nghiên cứu tập trung vào Đồng, một kim loại với Mạng tinh thể FCC được sử dụng rộng rãi. Việc hiểu rõ cơ chế lỗ rỗng trong Đồng là cần thiết. Các mô hình liên tục truyền thống có những hạn chế đáng kể. Chúng không thể giải thích cơ chế ở cấp độ nguyên tử, nơi lỗ rỗng thực sự hình thành và phát triển. Phương pháp Động lực học phân tử cung cấp một cách tiếp cận mới để giải quyết những hạn chế này.
1.3. Tầm quan trọng của Mô phỏng nguyên tử.
Mô phỏng nguyên tử đóng vai trò then chốt trong việc quan sát các hiện tượng vật lý ở cấp độ vi mô. Nó cho phép quan sát trực tiếp sự tương tác giữa các nguyên tử. Nhờ đó, quá trình hình thành và phát triển của Lỗ rỗng nano được theo dõi chi tiết. Phương pháp này cung cấp dữ liệu động học phân tử phong phú. Nó giải thích các cơ chế vật lý khó quan sát bằng thực nghiệm. Việc sử dụng Thế liên nguyên tử chính xác là cần thiết. Thế liên nguyên tử mô tả tương tác giữa các nguyên tử Đồng. Điều này giúp hiểu sâu hơn về Khuyết tật tinh thể và tác động của chúng. Mô phỏng nguyên tử hỗ trợ phát triển vật liệu tiên tiến hơn. Đây là một công cụ mạnh mẽ, kết nối lý thuyết vật liệu và thực nghiệm kỹ thuật.
II.Cơ sở Mô phỏng Động lực phân tử Vật liệu Cu
Nghiên cứu này sử dụng các nguyên tắc và công cụ chính của Động lực học phân tử. LAMMPS được chọn làm phần mềm mô phỏng. Việc xây dựng mô hình được thực hiện với độ chính xác cao. Thế liên nguyên tử EAM được áp dụng cho Đồng. Phương pháp này mô tả chân thực các tương tác nguyên tử. Cấu trúc Đồng đơn tinh thể và đa tinh thể được tạo ra cẩn thận. Quy trình bao gồm khởi tạo, cân bằng và thư giãn. Điều kiện biên tuần hoàn được sử dụng để mô phỏng vật liệu khối. Những bước này đảm bảo tính hợp lệ của mô phỏng. Chúng tạo nền tảng vững chắc cho việc phân tích lỗ rỗng.
2.1. Quy trình Mô phỏng Động lực học phân tử.
Quy trình mô phỏng Động lực học phân tử bắt đầu bằng việc thiết lập hệ thống. Các nguyên tử được đặt vào vị trí ban đầu. Vận tốc ban đầu được gán theo phân bố Maxwell-Boltzmann. Bước tiếp theo là tính toán lực tác dụng lên mỗi nguyên tử. Lực này xuất phát từ tương tác với các nguyên tử lân cận. Sau đó, phương trình chuyển động của Newton được tích hợp. Điều này cập nhật vị trí và vận tốc của nguyên tử theo thời gian. Quá trình lặp lại qua hàng triệu bước thời gian. Điều kiện biên tuần hoàn được áp dụng. Điều này loại bỏ hiệu ứng bề mặt. Đảm bảo mô phỏng một mẫu vật liệu vô hạn. Các thông số như nhiệt độ và áp suất được kiểm soát. Cân bằng nhiệt động học được thiết lập. LAMMPS là phần mềm Mô phỏng nguyên tử được sử dụng. Phần mềm này hiệu quả trong việc xử lý các hệ thống lớn. Nó hỗ trợ nhiều Thế liên nguyên tử.
2.2. Thế liên nguyên tử và phương pháp EAM.
Việc lựa chọn Thế liên nguyên tử là rất quan trọng. Nó xác định độ chính xác của Mô phỏng nguyên tử. Phương pháp Embedded Atom Method (EAM) được sử dụng cho kim loại. EAM mô tả năng lượng tương tác giữa các nguyên tử. Năng lượng này bao gồm hai thành phần chính. Một là năng lượng cặp hai thân. Hai là năng lượng nhúng của nguyên tử vào mật độ điện tử địa phương. Mật độ điện tử này được tạo ra bởi các nguyên tử lân cận. EAM phù hợp đặc biệt cho kim loại chuyển tiếp như Đồng. Nó tái tạo chính xác các tính chất vật lý của vật liệu. Bao gồm năng lượng liên kết, hằng số mạng, mô đun đàn hồi. EAM cho phép mô phỏng sự biến dạng dẻo. Nó mô tả sự hình thành và di chuyển của Khuyết tật tinh thể. Điều này rất cần thiết cho nghiên cứu lỗ rỗng nano.
2.3. Tạo cấu trúc tinh thể Đồng đơn tinh thể.
Cấu trúc tinh thể ban đầu được tạo ra cẩn thận. Đồng đơn tinh thể được thiết lập với Mạng tinh thể FCC. Hằng số mạng chính xác được sử dụng. Việc sắp xếp nguyên tử tuân thủ chặt chẽ. Điều này đảm bảo tính chất tinh thể lý tưởng. Các hệ thống lớn được xây dựng để giảm thiểu hiệu ứng kích thước. Sau khi tạo, hệ thống trải qua quá trình thư giãn. Thư giãn cho phép hệ thống đạt trạng thái năng lượng thấp nhất. Quá trình này loại bỏ các ứng suất ban đầu. Nó đưa hệ thống về trạng thái cân bằng. Cấu trúc Đồng đơn tinh thể sau đó được kiểm tra. Đảm bảo không có Khuyết tật tinh thể ban đầu không mong muốn. Điều này chuẩn bị hệ thống cho các thí nghiệm tải trọng. Nghiên cứu cũng mở rộng sang cấu trúc đa tinh thể. Các hạt tinh thể được tạo ra với các định hướng khác nhau.
III.Phân tích Cơ chế hình thành Phát triển lỗ rỗng
Nghiên cứu này làm rõ Cơ chế hình thành lỗ rỗng và Phát triển lỗ rỗng. Đặc biệt trong Đồng đơn tinh thể dưới các điều kiện tải khác nhau. Lỗ rỗng khởi phát từ các điểm tập trung ứng suất. Chúng biến đổi hình dạng theo Mạng tinh thể FCC. Sự phát xạ trật khớp từ bề mặt lỗ rỗng là một yếu tố quan trọng. Nó giải phóng ứng suất và cho phép lỗ rỗng mở rộng. Động học Phát triển lỗ rỗng nano được định lượng. Các yếu tố như tải trọng, nhiệt độ và định hướng tinh thể ảnh hưởng đến quá trình này. Kết quả mô phỏng cung cấp bằng chứng trực tiếp cho các cơ chế này. Điều này giúp hiểu sâu sắc hơn về hành vi biến dạng dẻo của vật liệu.
3.1. Phát triển lỗ rỗng dưới tải trọng thủy tĩnh.
Phát triển lỗ rỗng trong Đồng đơn tinh thể được nghiên cứu. Hệ thống chịu tải trọng thủy tĩnh kéo. Lỗ rỗng khởi phát từ các điểm tập trung ứng suất. Ban đầu, lỗ rỗng có hình dạng gần như cầu. Khi ứng suất tăng, lỗ rỗng bắt đầu mở rộng. Sự mở rộng này không đồng nhất. Hình dạng lỗ rỗng biến đổi thành dạng đa diện. Các mặt của đa diện được xác định bởi các mặt trượt ưu tiên. Đây là các mặt {111} trong Mạng tinh thể FCC. Quá trình này liên quan đến sự phát xạ trật khớp. Trật khớp phát ra từ bề mặt lỗ rỗng. Chúng mang ứng suất ra khỏi vùng lân cận lỗ rỗng. Mô phỏng nguyên tử cho thấy rõ cơ chế này. Tốc độ phát triển lỗ rỗng tăng theo ứng suất. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ này.
3.2. Động học Phát triển lỗ rỗng nano.
Động học phát triển của Lỗ rỗng nano được phân tích. Tốc độ mở rộng của lỗ rỗng được định lượng. Các yếu tố như kích thước lỗ rỗng ban đầu được xem xét. Tốc độ biến dạng và nhiệt độ cũng ảnh hưởng. Sự phát xạ và di chuyển của trật khớp đóng vai trò then chốt. Trật khớp di chuyển ra khỏi lỗ rỗng. Điều này giải tỏa ứng suất và cho phép lỗ rỗng lớn lên. Mô phỏng chỉ ra mối quan hệ phi tuyến tính. Quan hệ này giữa kích thước lỗ rỗng và thời gian. Có các giai đoạn phát triển khác nhau. Giai đoạn ban đầu chậm, sau đó tăng tốc. Cuối cùng, có thể đạt trạng thái ổn định. Cơ chế hình thành lỗ rỗng liên quan chặt chẽ. Nó liên quan đến sự di chuyển nguyên tử cục bộ. Và sự tái cấu trúc mạng tinh thể FCC.
3.3. Cơ chế hình thành lỗ rỗng trong mạng tinh thể FCC.
Cơ chế hình thành lỗ rỗng trong Mạng tinh thể FCC rất đặc trưng. Lỗ rỗng thường hình thành ở các vị trí có khuyết tật. Ví dụ, vị trí giao cắt trật khớp. Hoặc từ sự tập trung ứng suất cục bộ. Dưới ứng suất kéo, các nguyên tử di chuyển. Chúng tạo ra các khoảng trống nhỏ. Các khoảng trống này liên kết lại với nhau. Chúng hình thành lỗ rỗng hạt nhân. Hình dạng lỗ rỗng ban đầu thường theo cấu trúc tinh thể. Đặc biệt là các mặt {111} của Mạng tinh thể FCC. Sự phát xạ trật khớp là cơ chế chính. Nó cho phép lỗ rỗng phát triển. Các trật khớp một phần di chuyển trên các mặt trượt. Điều này tạo ra biến dạng dẻo xung quanh lỗ rỗng. Mô phỏng động lực học phân tử cung cấp bằng chứng trực tiếp. Bằng chứng về các bước nguyên tử trong quá trình này.
IV.Ảnh hưởng Ứng suất Khuyết tật tinh thể đến lỗ rỗng
Nghiên cứu này đánh giá tác động của Ứng suất và biến dạng. Nó cũng phân tích vai trò của Khuyết tật tinh thể đối với lỗ rỗng. Tương tác giữa lỗ rỗng và trật khớp là một khía cạnh trọng tâm. Lỗ rỗng hoạt động như nguồn phát trật khớp. Điều này tạo ra biến dạng dẻo cục bộ xung quanh nó. Phân bố ứng suất xung quanh lỗ rỗng được phân tích chi tiết. Nó ảnh hưởng đến động học và hình dạng cuối cùng của lỗ rỗng. Ngoài ra, lỗ rỗng trong Đồng đa tinh thể cũng được nghiên cứu. Ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng trong cơ chế hình thành và Phát triển lỗ rỗng. Những hiểu biết này rất cần thiết cho việc thiết kế vật liệu bền vững hơn.
4.1. Tương tác trật khớp và phát triển lỗ rỗng.
Tương tác giữa lỗ rỗng và trật khớp là trung tâm. Đây là quá trình Phát triển lỗ rỗng. Lỗ rỗng hoạt động như nguồn phát trật khớp. Dưới ứng suất kéo, trật khớp được phát ra từ bề mặt lỗ rỗng. Các trật khớp này di chuyển vào mạng tinh thể. Chúng tạo ra vùng biến dạng dẻo xung quanh lỗ rỗng. Sự phát xạ trật khớp làm giảm ứng suất cục bộ. Nó cho phép lỗ rỗng mở rộng. Nghiên cứu cũng xem xét tương tác ngược lại. Trật khớp từ mạng tinh thể có thể bị hấp thụ bởi lỗ rỗng. Hoặc chúng có thể bị chặn lại gần lỗ rỗng. Sự tương tác này ảnh hưởng đến động học lỗ rỗng. Nó cũng ảnh hưởng đến cơ chế hóa dẻo vật liệu. Mô phỏng nguyên tử phân tích chi tiết. Phân tích loại trật khớp và hướng di chuyển.
4.2. Ứng suất và biến dạng trong Đồng đơn tinh thể.
Phân bố Ứng suất và biến dạng xung quanh lỗ rỗng được phân tích. Trong Đồng đơn tinh thể, ứng suất tập trung mạnh mẽ tại bề mặt lỗ rỗng. Điều này dẫn đến sự khởi đầu của biến dạng dẻo cục bộ. Sự phát xạ trật khớp là một cơ chế giảm ứng suất. Biến dạng dẻo lan rộng ra khỏi lỗ rỗng. Các trường ứng suất ảnh hưởng đến sự phát triển của lỗ rỗng. Chúng cũng ảnh hưởng đến hình dạng cuối cùng của nó. Mô phỏng cho phép tính toán chính xác. Tính toán các thành phần ứng suất và biến dạng tensor. Các kết quả này được so sánh với các mô hình liên tục. Sự khác biệt được làm rõ ở cấp độ nguyên tử. Đặc biệt là trong vùng lân cận lỗ rỗng nano. Việc hiểu rõ các trường ứng suất này là quan trọng. Nó giúp dự đoán hành vi vật liệu dưới tải.
4.3. Lỗ rỗng trong cấu trúc đa tinh thể.
Nghiên cứu cũng mở rộng sang lỗ rỗng trong cấu trúc đa tinh thể. Các lỗ rỗng nano trong Đồng đa tinh thể có hành vi khác biệt. Ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng. Ranh giới hạt có thể là nguồn phát trật khớp. Hoặc chúng có thể là rào cản cho sự di chuyển trật khớp. Chúng ảnh hưởng đến sự hình thành và Phát triển lỗ rỗng. Đặc biệt, các lỗ rỗng có thể hình thành tại các ranh giới hạt. Đây là do sự tập trung ứng suất cục bộ. So với Đồng đơn tinh thể, hành vi phức tạp hơn. Cần xem xét thêm các yếu tố cấu trúc vi mô. Mô phỏng nguyên tử các cấu trúc đa tinh thể. Điều này cung cấp cái nhìn sâu sắc. Cái nhìn về tác động của ranh giới hạt đến sự hư hại do lỗ rỗng.
V.So sánh Mô hình Nguyên tử Mô hình Liên tục lỗ rỗng
Nghiên cứu này tiến hành so sánh kết quả từ Mô phỏng nguyên tử với các mô hình liên tục truyền thống. Các mô hình liên tục, dù hữu ích ở quy mô lớn, có những hạn chế đáng kể khi áp dụng cho Lỗ rỗng nano. Chúng không thể nắm bắt chi tiết Khuyết tật tinh thể và cơ chế phát xạ trật khớp. Động lực học phân tử cung cấp một cái nhìn sâu sắc hơn. Nó giải thích các hiện tượng ở cấp độ nguyên tử mà mô hình liên tục bỏ qua. Mặc dù có những hạn chế về quy mô thời gian và kích thước, tiềm năng của Mô phỏng nguyên tử là rất lớn. Nó mở đường cho việc phát triển vật liệu tiên tiến hơn và hiểu biết sâu sắc hơn về cơ học vật liệu.
5.1. Mô hình lỗ rỗng liên tục đơn giản.
Các mô hình liên tục truyền thống đã được sử dụng. Chúng mô tả sự phát triển lỗ rỗng ở cấp độ vĩ mô. Các mô hình này thường dựa trên cơ học môi trường liên tục. Chúng giả định vật liệu là đồng nhất và liên tục. Ví dụ, mô hình Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN). Mô hình này dự đoán hành vi vật liệu chứa lỗ rỗng. Nó dựa trên biến dạng dẻo của vật liệu. Các mô hình này hữu ích cho các cấu trúc lớn. Tuy nhiên, chúng có hạn chế rõ rệt. Chúng không thể giải thích cơ chế ở cấp độ nguyên tử. Các chi tiết về Khuyết tật tinh thể bị bỏ qua. Đặc biệt là đối với Lỗ rỗng nano. Chúng không thể dự đoán sự khởi phát lỗ rỗng. Việc sử dụng chúng cho quy mô nhỏ có thể không chính xác.
5.2. So sánh kết quả Mô phỏng nguyên tử và lý thuyết.
Kết quả từ Mô phỏng nguyên tử được so sánh. So sánh với các dự đoán từ mô hình liên tục. Có sự tương đồng ở quy mô lớn. Tuy nhiên, sự khác biệt đáng kể xuất hiện ở quy mô nhỏ. Mô phỏng động lực học phân tử cho thấy các chi tiết. Các chi tiết về sự phát xạ trật khớp. Chi tiết về biến đổi hình dạng lỗ rỗng. Điều này không được dự đoán bởi mô hình liên tục. Mô hình liên tục thường bỏ qua tính chất tinh thể. Chúng không thể mô tả Mạng tinh thể FCC một cách trực tiếp. Sự khởi phát lỗ rỗng được giải thích rõ ràng hơn. Giải thích qua Động lực học phân tử. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn. Cung cấp cái nhìn về cơ chế biến dạng dẻo cục bộ.
5.3. Hạn chế và tiềm năng của Động lực học phân tử.
Mô phỏng Động lực học phân tử có những hạn chế nhất định. Thời gian mô phỏng bị giới hạn ở nano giây. Kích thước hệ thống cũng bị giới hạn. Điều này làm cho việc mô phỏng các hiện tượng dài hạn khó khăn. Tuy nhiên, tiềm năng của phương pháp này là rất lớn. Nó cung cấp kiến thức nền tảng về cơ chế vật liệu. Đặc biệt là ở cấp độ nguyên tử. Điều này rất quan trọng cho kỹ thuật vật liệu. Mô phỏng nguyên tử có thể kết hợp với các phương pháp khác. Ví dụ, mô hình cấp độ trung gian. Điều này giúp bắc cầu các quy mô khác nhau. Hỗ trợ thiết kế vật liệu mới. Vật liệu có khả năng chống lại sự hình thành lỗ rỗng. Hoặc vật liệu có tính chất cơ học được cải thiện. Tiếp tục phát triển Thế liên nguyên tử là cần thiết.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (205 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộUC San Diego UC San Diego Electronic Theses and Dissertations Title A molecular dynamics study of void initiation and growth in monocrystalline and nanocrystalline copper Permalink https://escholarship.org/uc/item/6905g1rt Author Traiviratana, Sirirat Publication Date 2008 Peer reviewed|Thesis/dissertation eScholarship.org Powered by the California Digital Library University of California UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO A Molecular Dynamics Study of Void Initiation and Growth in Monocrystalline and Nanocrystalline Copper A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree Doctor of Philosophy in Engineering Sciences (Mechanical Engineering) by Sirirat Traiviratana Committee in charge: Professor David J. Benson, Chair Professor Marc A. Meyers, Co-Chair Professor Eduardo M. Bringa Professor Petr Krysl Professor Vlado A.
Lubarda Professor Vitali F. Nesterenko 2008 Copyright Sirirat Traiviratana, 2008 All rights reserved. The dissertation of Sirirat Traiviratana is ap- proved, and it is acceptable in quality and form for publication on microfilm: Co-Chair Chair University of California, San Diego 2008 iii DEDICATION To my passed father, Mr. Prasert Traiviratana To my passed brother, Master Sergeant 1st Class Sirisak Traiviratana To my patient mother, Mrs.
Pranorm Traiviratana To the Royal Thai Navy Lieutenant Sirirat Traiviratana iv TABLE OF CONTENTS Signature Page. iv Table of Contents. v List of Figures. viii List of Tables.
xiii Vita and Publications. xiv Abstract of the Dissertation .1 Simple Continuum Models for Void Expansion .2 Continuum Models for Material with Porosity .3 Single Crystal Studies .4 Outline of the Problems .5 Objectives of Research. 26 2 Molecular Dynamics Fundamentals .1 The Molecular Dynamics Simulation Process .2 Equilibrium and Relaxation .2 Molecular Dynamics Codes, LAMMPS .3 The Embedded Atom Method .4 Single-crystalline and Bi-crystalline Structure Generation .2 Single Crystalline Structure .3 Bi-crystalline Structure .5 Polycrystalline Structure Generation .2 Vectors and Planes .3 Coordinate Rotation and Orientation .4 Euler Angles and Euler Parameters .5 Search and delete algorithm .6 Periodic Boundary Conditions. 46 3 Results and Discussion .1 Void Growth in Single-crystal - Hydrostatic expansion .2 Void Growth in Bicrystal Structure .3 Compression and Expansion of Nanocrystalline Nickel .4 Void Growth in a Single-Crystal Structure - Uniaxial expansion .3 Interpretation and Calculation .5 Calculation of Dislocation Interactions .1 In Plane Dislocation and Interactions .2 Biplanar Dislocation and Interactions .6 Void Growth Kinetics .7 Density of Geometrically Necessary Dislocations .8 Void Growth in Single Crystals with Different Loading Orientations 101 3.
112 vi 4 Algorithm for dislocation information extraction .1 Filtering out non-defect particles .2 Search boxes generation .3 Neighbor particles search .4 Filter for the Dislocation Planes .5 Normal of plane of dislocation .6 Leading and Trailing Edge of Dislocation .7 The Length of Dislocation and Dislocation Density .8 The Velocity of Dislocation .1 Algorithms for Dislocation Information Extraction .2 Atomistic Model for Void Growth Compared to Current Continuum Models .4 Molecular Dynamics Simulation of Nanocrystal Copper .1 Base Crystalline Structure, BCC, FCC .4 Voids in Polycrystalline Structure .1 LAMMPS Input File .3 Nanocrystalline Structure Simulation .4 LAMMPS Dump File Processing. 179 vii LIST OF FIGURES Figure 1.1: Stress-strain curve for general description of elasticity and plasticity.2: Plastically deformed zone around a void, (a) TEM by Christy et al. [8]; (b) SEM by Ahn et al.3: Evidence of slip around growing voids from Meyers and Ai- mone [7].4: Plastic region round a spherical cavity expanded by uni- formly distributed internal pressure.5: The normalized stress σ/E vs. expanded void radius R/R0 , with Y /E = 3/500 and two values of Poisson’s ratio ν = 1/3 (lower curve) and ν = 1/2 (upper curve)(from Lubarda and Meyers [20]).6: Dislocation models for void growth from (a) Meyers and Ai- mone [7], (b,c,d) Stevens and Davison [21].7: Geometrically necessary dislocation around a rigid particle in softer material, from Ashby [40], (a) undeformed model, (b) de- formed model, (c) shear loop dislocations, and (d) prismatic loop dislocations.8: Dislocation loops postulated by Lubarda et al.
[41] with the direction of dislocation motion marked by arrows.9: Void-size prediction from growth through vacancy diffusion along dislocations (Cuitiño-Ortiz model); void sizes reached in 100 s at the three temperatures of 300, 400, and 600 K marked.10: Growing void developed into an octahedron shape defined by slip planes.11: Growing voids developed into geometric shapes from (a) Mey- ers and Aimone [7] and (b) Christy et al.12: Growing void developed into geometric shape from Stevens and Davison [21].1: Flow chart of general MD simulation.2: A space lattice according to Barrett and Massalski [84] .3: (a) Lattice axes, interaxial angles and unit cell [84] and (b) configuration of atoms for the Face Centered Cubic structure with the lattice size of a, created by Bas Zoetekouw (bas@zoetekouw.5: Plane and Normal vector sketch .6: Euler rotation using (a) Euler angles and (b) Euler parameters 40 viii Figure 2.7: Distribution of rotated bases by Euler angles and Euler pa- rameters.8: Generated polycrystalline structure with average grain size of 5nm.9: Relaxed polycrystalline structure colored by centrosymmetry parameter.10: 12 nearest neighbor atoms surrounding a center atom, with the 3 dashed atoms belong in plane A, the 7 atoms belong in plane B and the last 3 atoms belong in plane C, in the FCC plane ABC configuration.11: Illustration of the geometry of slip in crystalline material.1: Sketch diagram of simulation setup for single crystal cubic domain and hydrostatic strain .2: Growth of voids from very high strain rate(2.88×1011 ) under hydrostatic expansion. The thin slab enables us to see defect atoms within the simulation box. The color bar (purple, blue, cyan, green, yellow and red) represents the values of centrosymmetry parameter from low to high.3: Growth of void from 3.01267 × 108 s−1 strain rate: dislo- cation generation and motion, and shape changing of void under hydrostatic expansion (a,b,c are slabs of small ∆z which is perpen- dicular to [001].4: Diagram of simulation setup for bicrystal domain with (a) cylindrical void and (b) spherical void.5: Dislocations emanating from cylindrical void (loading axis z) 56 Figure 3.6: Dislocation loops emanating from spherical void (loading axis z) .7: Sequence of loop nucleation and growth in the bicrystal sim- ulation.8: Sequence of loop nucleation and growth in the bicrystal sim- ulation(continued).9: Shear loops and their interaction in bicrystal simulation with initial void at grain-boundary (uniaxial strain).10: Lateral stresses generated when loading is applied in direc- tion ZZ.11: Plot of pressure against time.12: Plot of shear stress versus strain for nanocrystal Ni (d = 5 nm).13: Sequence of nanocrystalline nickel (d=5 nm) under 38 GPa loading. Note the disappearance of most dislocations after unloading.14: Plot of pressure against time for nanocrystal sample with voids.15: Plot of shear stress versus strain of nanocrystal sample with voids.16: Sequence of nanocrystal nickel under 23 GPa loading with sample containing voids.17: Sequence of nanocrystal nickel under 38 GPa loading with sample containing voids .18: Diagram of simulation setup for a single crystal cubic domain and uniaxial strain.19: Plot of stresses against strain for different strain rates while fixing void size at 1.20: Plot of stresses against strain for different strain types while fixing void size at 1.0 nm radius and strain rate at 108 s−1 .21: Plot of stresses against strain for different void size at fixed strain rate of 108 s−1 .22: Normalized critical stress against normalized void size; (a) with models; (b) on log-log scale with α = 0.23: Plots of von Mises critical stress (yield stress) from additional simulations in collaboration with Eduardo M.24: Initiation of plastic flow at void surface (at 590ps); (a) ren- dered atoms from MD; (b) diagram of (11̄1̄) and (1̄1̄1̄) slip planes intersecting sphere surface at 45◦ ; (c) rendered atoms from (a), ro- tated to show two loops; (d) diagram showing leading partial dislo- cations.25: Continued loop expansion; (a) rendered atoms from MD (591ps); (b) corresponding sketched diagram; (c) rendered atoms from MD (595ps); (d) corresponding sketched diagram.26: Later growth and interaction of shear loops emanating from void: (a) 597 ps; (b) 598 ps; (c) 599 ps.27: In-plane dislocation interactions; (a) before interaction; (b) onset of interaction; (c) interactions and reaction; (d) uniform ex- pansion of loops leaving dislocation segments behind.28: Plane (111) on principal directions.29: Plane (111) with in-plane partial dislocations interactions.30: Top view of two perfect dislocations.31: Top view of partial dislocations.32: Damage vs Time; (a) comparison of MD simulations and Cocks-Ashby equation (b) predictions from Cocks-Ashby equation (n is exponent in power-law constitutive equation).33: Volume increment generated in void by the expansion of two shear loop rings.34: Calculated density of geometrically-necessary dislocations as a function of the ratio k = Rr .35: Schematic showing traces of two slip planes intersecting void at 45◦ : loading axis ([110]) marked by arrows.36: Sequence of shear loop nucleation and growth for [110] load- ing direction.
Note directions and planes in (d) as well as second loop forming (loading direction perpendicular to plane of paper for Figs. 3(a-c) and marked in Fig.37: Sequence of loop nucleation and growth for loading along [100] (loading direction perpendicular to the plane of paper). Note two loops reacting and forming biplanar loop.38: Sequence of loop nucleation and growth for loading along [111] (loading direction perpendicular to the plane of paper). Note the formation of loops on three planes in (b).39: Plane and directions labeled for [111] loading direction; (a), schematic illustration and (b), MD simulation.40: Plot of stresses against strain for different loading orienta- tions for R = 2 nm.1: Atom rendered with a centrosymmetry parameter filter show- ing dislocation planes and grain boundary.2: Atom colored by number of neighbors showing outward nor- mal vector.3: Separated dislocation planes and average plane normals, each with a distinct color.4: Stereographic triangle showing normal directions of dislo- cation planes from a simulation of a void between two crystals of copper undergoes uniaxial expansion.2, spherical void configuration.5: Leading and trailing edge extraction and curve fitting.
Note: the centroid is at (0,0), the local x-axis goes from -65 to 65. 120 xi LIST OF TABLES Table 2.1: The crystal systems [84] .1: Table of different potentials used for copper.2: Table of simulation configurations for void growth under uni- axial expansion.3: Table of Schmid factor calculation for three loading directions. 105 xii ACKNOWLEDGEMENTS Financial support from LLNL grant B558558, ILSA contract number W-7405- Eng-48 and NSF EVO CBET-0742730 Program is gratefully acknowledged. I would like to thank Hussam Jarmakani and Paul Erhart for help with nanocrys- talline samples of nickel, Eduardo Bringa for his help and guidance on molecular dynamics, Prof.
Meyers for encouraging me to take a class of “Imperfections in solids” and last but not least, Prof. Benson for providing, time and time again, incredible practical solutions to many problems throughout my research. Sections in the chapter 3 concerning void growth in single crystalline copper including the calculations of dislocation interactions were published as an article in Acta Materialia, vol 56 (2008), page 3874-3886 with the co-authors Eduardo M. Benson and Marc A.
Sections in the chapter 3 concerning void growth in single crystalline copper with uniaxial loading direction along [110] and [111] and their analysis are in preparation for publication. xiii VITA April 10, 1976 Born, Samut Songkhram, Thailand, 1995 Armed Force Academy Preparatory School, Bangkok, Thailand, 2000 B., Royal Thai Naval Academy, Samut Prakarn, Thailand, 2002-2003 Teaching assistant, Department of Mechanical Engi- neering, Oregon State University, 2003 M., Oregon State University, Corvallis, OR, USA, 2004-2008 Teaching and Research assistant, Department of Me- chanical and Aerospace Engineering, University of Cal- ifornia, San Diego, 2008 Ph., University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA PUBLICATIONS D. “Void Growth and Coalescence Nanocrystalline Metals: Molecular Dynamics Modeling, Continuum Modeling, and Experiments. Nguyen, editors, Shock Compression of Condensed Matter, number 1, pages 343-346.
15th APS Tropical Conference, American Insti- tute of Physics, 2007. “Void growth in metals: Atomistic calculations.” Acta Materialia, vol 56: pages 3874-3886, 2008. xiv ABSTRACT OF THE DISSERTATION A Molecular Dynamics Study of Void Initiation and Growth in Monocrystalline and Nanocrystalline Copper by Sirirat Traiviratana Doctor of Philosophy in Engineering Sciences (Mechanical Engineering) University of California San Diego, 2008 Professor David J. Benson, Chair Professor Marc A.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Sirirat Traiviratana (2008). Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể [Luận án tiến sĩ, University of California, San Diego]. LuanAn.net. https://luanan.net/kinh-te-nong-nghiep/phat-trien-nong-thon/nghien-cuu-dong-luc-phan-tu-lo-rong-trong-dong-luan-an-tien-si
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận văn phân tích các phương pháp machine learning trong xử lý ngôn ngữ tự nhiên, đề xuất mô hình cải tiến hiệu suất và ứng dụng thực tế.
Luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại University of California, San Diego. Năm bảo vệ: 2008.
Luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" thuộc chuyên ngành Engineering Sciences (Mechanical Engineering). Danh mục: Phát Triển Nông Thôn.
Luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" có bao nhiêu trang?
Luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" có 205 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Nghiên cứu động lực phân tử về lỗ rỗng trong đồng đơn tinh thể" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.