Mikrometallien myötämisen monimutkaisuudet

15.10.2020/Teksti: Henri Salmenjoki

Henri Salmenjoki

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

Uusimmat artikkelit

Environmental Impacts of Processing Complex Cobalt Containing Raw Materials

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 20.1.2025

Prosessimallinnus lisää tietoa metallien ympäristövaikutuksista Riina Aromaa           Prosessimallinnus lisää tietoa metallien ympäristövaikutuksista Yleistykset johtavat harhaan Monien metallien tarve kasvaa vihreän siirtymän mukana, kuten myös kiinnostus ympäristövaikutuksiin, joita niiden käyttö aiheuttaa. Metallituotteiden ympäristövaikutukset tulisi määrittää aina tapauskohtaisesti. Identtisten tuotteiden vaikutukset voivat vaihdella paljonkin muun muassa sen mukaan, millaisia prosesseja ja raaka-aineita…

Farmaseuttisten tablettien jatkuvatoiminen valmistus – Kaupallisesta erävalmistuksesta jatkuvatoimisen prosessoinnin tutkimukseen

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 17.12.2024

Farmaseuttisten tablettien jatkuvatoiminen valmistus – Kaupallisesta erävalmistuksesta jatkuvatoimisen prosessoinnin tutkimukseen Jenna Lyytikäinen         Jatkuvatoiminen valmistus kiinnostaa myös lääketeollisuutta Jatkuvatoiminen prosessointi on käytössä useilla eri teollisuuden aloilla sen etujen ansiosta. Lääketeollisuus on monista eri syistä, kuten aiemmasta lääkeviranomaisten suhtautumisesta johtuen kuitenkin pitäytynyt perinteisessä erävalmistuksessa. Erävalmistus vaatii henkilökunnalta välituotteiden siirtoa, paljon tilaa ja monia…

Molybdenum sulfides with bismuth halide perovskites for better photocatalysis

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 20.11.2024

Molybdenum sulfides with bismuth halide perovskites for better photocatalysis  By He Zhao         Clean hydrogen from photocatalysis Hydrogen is regarded as a promising energy carrier for the future world. Solar-driven photocatalysis provides a cleaner and more sustainable approach for hydrogen production, which would not produce any carbon footprint theoretically. This reaction of…