Mikrometallien myötämisen monimutkaisuudet

Kaikki tietävät, miten käy, kun jääkylmää jäätelöä yrittää kaivaa paketista heiveröisellä lusikalla: jäätelö jää pakettiin ja lusikka vääntyy. Tämä niin sanottu materiaalin myötäminen (eli merkittävä peruuttamatton muodonmuutos) on tutkmukseni lähtökohtana, mutta materiaalien ollessa mikrometrien kokoluokassa olevia metalleja. Tällöin myötämisessä tärkeässä roolissa ovat purskeet ja dislokaatiot - niistä seuraavassa.

Myötäminen purskeina

Jo tuhansien vuosien ajat ihmiskunta on pyrkinyt parantamaan metallisten työkalujensa kestävyyttä kehittämällä uusia materiaaleja ja niiden ominaisuuksia - olihan esimerkiksi muinaisissa sodissa valtava etu, jos oman armeijan miekat olivat vahvempia kuin vihollisen. Vaikka nykypäivään tultaessa miekkojen käyttö on ehkä vähentynyt, on modernin elektroniikkateollisuuden tarpeet valmistaa pienempiä ja pienempiä komponentteja vaatinut metallien mekaanisten ominaisuuksien perinpohjaista tutkimusta. Mentäessä mikrometrien kokoluokkaan metallien, tai yleisemmin kiteisten aineiden, myötämisessä löytyykin ihmeteltäviä ilmiöitä: Pienemmät kappaleet kestävät suurempia voimia ennen myötämistä ja myötäminen etenee pääosin purskeina, joiden koko vaihtelee laajalla skaalalla - samaan tapaan kuin muissa kriittisissä ilmiöissä, vaikkapa maanjäristyksissä. Purskeet hankaloittavat myös mikrometallien lujuuden määrittämistä, sillä purskeiden myötä pintapuolisesti samanlaiset, samaa metallia olevat kappaleet voivat myötää aivan eri voimilla. Väitöskirjatyössäni tutkinkin purskeiden ominaisuuksia tilastollisen fysiikan näkökulmasta sekä mikrometallien myötölujuuden ennustamista.

Supertietokoneella dislokaatioiden simulointia

Peruuttamattomat muodonmuutokset kiteisissä aineissa syntyvät, kun kidehilassa olevat viivamaiset kidevirheet - eli dislokaatiot - liikkuvat kiteen sisällä. Dislokaatiot vuorovaikuttavat keskenään aineen sisällä ja aiheuttavat jo mainitut purskeet, kun ne liikkuvat yhdessä yhdestä konfiguraatiosta toiseen. Tutkimustyökaluna käytänkin ohjelmistoa, jolla simuloidaan dislokaatioiden liikettä hilassa. Koska pursketilastojen keräämiseen tarvitaan useita simulaatioita eri alkutiloilla, dislokaatioita on normaalisti hilassa paljon - jopa 10^15 metriä kuutiometrissä - ja dislokaatioiden vuorovaikutukset ovat raskaita laskea, tarvitaan laskentaan järeitä työkaluja, vaikka simuloitavat systeemit ovat mikrometrin kokoisia. Onneksi käytössäni onkin CSC:n tarjoamia laskentaresursseja heidän supertietokoneelleen. Ne tulivat erityisesti tarpeeseen apurahakauden aikana valmistuneissa simulaatioissa, joissa laskentataakka nousi entisestään, kun hilaan lisättiin presipitaatteja estämään dislokaatioiden liikettä ja näin nostamaan systeemin myötölujuutta.

Lue lisää artikkelista: Plastic yielding and deformation bursts in the presence of disorder from coherent precipitates