Per capire esattamente come i metalli rispondono alla compressione ad alta velocità nelle simulazioni di dinamica molecolare, Gli scienziati LLNL utilizzano nuovi metodi di microscopia in silico per rivelare difetti nel reticolo cristallino (oggetti lineari verdi e rossi e oggetti superficie grigia in alto) rimuovendo tutti gli atomi (palline gialle in basso) per chiarezza. Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
Per risolvere un enigma di 100 anni in metallurgia sul perché i cristalli singoli mostrano un indurimento graduale mentre altri no, Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) lo hanno portato al livello atomistico.
La ricerca appare nell'edizione del 5 ottobre di Materiali della natura .
Per millenni, gli esseri umani hanno sfruttato la proprietà naturale dei metalli per diventare più forti o indurire quando vengono deformati meccanicamente. In definitiva radicato nel moto delle dislocazioni, i meccanismi di tempra dei metalli sono rimasti nel mirino dei metallurgisti fisici per più di un secolo.
Il team guidato dallo scienziato dei materiali LLNL Vasily Bulatov ha eseguito simulazioni atomiche ai limiti del supercalcolo che sono sufficientemente grandi da essere statisticamente rappresentative della plasticità cristallina macroscopica ma completamente risolte per esaminare le origini dell'indurimento del metallo al suo livello più fondamentale di movimento atomico. Le simulazioni sono state eseguite sui supercomputer Vulcan e Lassen al Livermore e sul supercomputer Mira all'Argonne Laboratory Computational Facility.
Le cause alla radice dell'indurimento dei metalli sono rimaste sconosciute fino a 86 anni fa, quando le dislocazioni - difetti cristallini curvilinei causati dal disturbo reticolare - furono proposti come responsabili della plasticità del cristallo. Nonostante la connessione causale diretta tra dislocazioni e plasticità cristallina sia saldamente stabilita, nessuna squadra ha osservato cosa fanno le dislocazioni in situ, durante lo sforzo, nel materiale sfuso.
"Ci siamo affidati a un supercomputer per chiarire cosa causa l'indurimento del metallo, ha detto Bulatov. "Invece di cercare di derivare l'indurimento dai meccanismi sottostanti del comportamento di dislocazione, che è stata l'aspirazione della teoria della dislocazione per decenni, abbiamo eseguito simulazioni al computer su larga scala a un livello ancora più elementare:il movimento degli atomi di cui è fatto il cristallo".
Il team ha dimostrato che il famigerato indurimento a stadi (inflessione) dei metalli è una conseguenza diretta della rotazione dei cristalli sotto sforzo uniassiale. In contrasto con opinioni ampiamente divergenti e contraddittorie in letteratura, i ricercatori hanno scoperto che i meccanismi di base del comportamento di dislocazione sono gli stessi in tutte le fasi dell'indurimento del metallo.
"Nelle nostre simulazioni abbiamo visto esattamente come il movimento dei singoli atomi si traduce nel movimento delle dislocazioni che si combinano per produrre l'indurimento del metallo, " ha detto Bulatov.
