С помощью метода молекулярной динамики удалось на атомарном уровне изучить процессы, происходящие с металлом при его пластической деформации. Для этого ученые из США и Германии на одном из самых мощных компьютеров смоделировали высокоскоростное сжатие кристалла тантала. Работа опубликована в Nature.

Если металл сжимать или растягивать с небольшой силой, то он ведет себя упруго и после снятия нагрузки возвращает свою первоначальную форму. При увеличении силы деформация переходит в пластический режим, и часть ее становится необратимой. Если упругость определяется взаимодействием между атомами в кристаллической решетке, то пластическая деформация происходит в первую очередь за счет наличия дислокаций — линейных дефектов в кристаллической решетке.

Дислокации представляют собой такое нарушение порядка в кристаллической структуре, которое выглядит как область, в которой у одного из кристаллических слоев удалили некоторую часть. При внешнем воздействии эта область может увеличиваться в размерах и перемещаться внутри кристаллической структуры, увеличивая деформацию кристалла. Другой причиной пластической деформации может быть кристаллическое двойникование — сдвиг некоторых слоев кристаллической решетки, при котором они становятся фактически зеркальным отображением недеформированной области.

Последовательные стадии развития пластической деформации в кристалле тантала. Линиями изображены дислокации, цветными поверхностями — плоскости двойникования. L. A. Zepeda-Ruiz et al./ Nature, 2017

Механизмы пластичности были изучены в первую очередь экспериментально — по кристаллической структуре при разных степенях деформации. Смоделировать же эти процессы на атомарном уровне до сих пор не удавалось из-за нехватки компьютерных мощностей.

В своей новой работе международная группа ученых из США и Германии использовала один из передовых вычислительных центров для компьютерного моделирования и изучила процессы, происходящие при пластической деформации металла, с помощью метода молекулярной динамики. Физики смоделировали кристалл тантала с линейным размером в несколько сотен нанометров с точностью до одного атома. В работе были смоделированы несколько начальных состояний: идеальный кристалл без дефектов, кристалл с точечными вакансиями (отсутствующими атомами в некоторых узлах) и кристалл с дислокациями.

Смоделировав кристалл тантала с известной структурой, исследователи начинали постепенно сжимать всю эту систему, измеряли растущее напряжение и следили за процессами, происходящими с кристаллической структурой.

В самом начале наблюдался довольно короткий этап линейной упругой деформации. При преодолении предела упругости после небольшого скачка механического напряжения деформация переходила в пластический режим. Для небольших скоростей деформации результаты для трех случаев отличались друг от друга. Если для идеального кристалла и кристалла с точечными вакансиями пластическая деформация протекала в первую очередь по механизму двойникования, а дислокации образовывались лишь при больших деформациях как вспомогательный механизм, то для кристалла, в котором изначально было небольшое количество дислокаций, двойникования не происходило вовсе и вся деформация определялась только движением и развитием дислокаций.

Компьютерное моделирование подтвердило известные по экспериментам особенности развития и движения дислокаций в кристалле. Во-первых, их движение оказалось прерывистым: они приостанавливаются на препятствиях и увеличивают скорость между ними. Во-вторых, ориентация дислокаций неоднородна. В-третьих, скорость дислокаций составляет от 1 до 60 метров в секунду, и режим их активации с помощью температуры или напряжения практически не зависит от скорости деформации.

При увеличении скорости деформации ученые наблюдали увеличение роли двойникования в механизме пластичности. Если для малых скоростей его не наблюдалось и металл, преодолев предел текучести, вел себя как жидкость, изменяя объем без увеличения напряжения, то для больших скоростей деформации в пластичности начинал доминировать уже механизм двойникования.

С помощью своего исследования ученые смогли установить точные режимы пластической деформации в зависимости от начального состояния кристаллической структуры и скорости деформации. Но что, возможно, даже важнее — исследование показало, что уже сейчас с помощью молекулярной динамики можно предсказывать достаточно сложные макроскопические механические свойства кристаллов и изучать их причины на атомном уровне.

Стоит отметить, что последние годы с ростом компьютерных мощностей метод молекулярной динамики развивается весьма активно и с помощью него уже удалось смоделировать, например, внутриклеточную среду. Применяют его и для более необычных задач: недавно с помощью молекулярной динамики ученые определили пользу от разбавления виски водой.

Автор: Александр Дубов