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

Mikrometallien myötämisen monimutkaisuudet

Kirjoittajalta Marianna / 15.10.2020

Mikrometallien myötämisen monimutkaisuudet 15.10.2020/Teksti: 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 … Jatka artikkeliin Mikrometallien myötämisen monimutkaisuudet

Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 9.10.2019

Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen 9.10.2019/Text: Mikael Ritamäki Kevyempää tehoelektroniikkaa paremmilla muoveilla Muovikondensaattoreita käytetään esimerkiksi tehoelektroniikassa, jota käytetään uusiutuvan sähköenergian siirtoon vaikkapa merituulivoimapuistoista kulutuskeskuksiin. Nykyisellä tekniikalla toteutetut muovikondensaattorit ovat luotettavia mutta varsin isoja ja painavia: parempia sähköeristemateriaaleja kehitetään, jotta kondensaattoreita käyttävistä laitteista saataisiin pienempiä ja kevyempiä. Varsinkin sähköverkkosovelluksissa muovikondensaattoreita vaaditaan pitkää, kymmenien vuosien käyttöikää, joten uusia … Jatka artikkeliin Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen

Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 30.9.2019

Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics 30.9.2019 / text: Aayush Jaiswal The world is turning into a global village and consequently, food products from around the world are becoming ubiquitous in the store where you buy your grocery every week. Have you ever wondered what keeps these products fresh and delicious? … Jatka artikkeliin Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics