RO127916A2 - Metodă de proiectare a paternurilor dislocaţiilor la deformarea plastică severă a materialelor metalice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă de determinare a unui model al dislocaţiilor din structura materialelor metalice, apărute în urma procesului de deformare plastică la rece, în scopul stabilirii parametrilor de conducere a procesului de nanostructurare bazată pe deformare plastică severă, prin forfecare multidirecţională controlată, care permite obţinerea unor materiale metalice superplastice, cu mărimi diminuate ale grăunţilor cristalini, ceea ce determină o ameliorare a caracteristicilor mecanice în sensul creşterii rezistenţei la tracţiune sau a plasticităţii materialului. Metoda conform invenţiei are următoarele etape: a. realizarea unei imagini cu microscopie cu transmisie electronică a unui volum finit de material metalic ce va fi supus nanostructurării, se analizează liniile de dislocaţii vizibile care se discretizează într-un număr de segmente finite, obţinându-se coordonatele punctelor care definesc segmentele finite, ceea ce permite reconstituirea liniei de dislocaţie iniţială în coordonate discrete; b. prin simularea cu dinamica moleculară se generează forme conformaţionale ale unor proteine lungi pe durate de ordinul nanosecundelor, care constituie baze de date, din care se selectează acele forme care corespund, într-una din stări, formei iniţiale a liniei de dislocaţii din materialul care se supune nanostructurării; c. se aleg formele ţintă ale dislocaţiei în timpul procesului de nanostructurare prin deformare plastică severă, bazate pe mimica evoluţiei proteinelor la tracţiune/compresiune, care să corespundă unui nivel mic de energie entropică la o lungime mai mare a dislocaţiei, faţă de starea iniţială; d. în

Description

Invenția se refera la o metoda de proiectare a paternului disiocatnloFTa deformarea plastica la rece in scopul stabilirii parametrilor de conducere a procesului de nanostructurare bazata pe deformare plastica severa prin FMC (forfecare multidirectionala controlata) ce permite obținerea de materiale metalice superplastice.

Se cunoaște faptul ca nanostructurarea metalelor are ca efect diminuarea mărimii grăunților cristalini. Funcție de nivelul de diminuare caracteristicile mecanice ale materialelor metalice se modifica, in sensul creșterii rezistentei la tracțiune a materialului sau creșterii plasticitatii acestuia. In prezent, modificarea caracteristicilor mecanice este un rezultat natural al procesului de nanostructurare prin deformare plastica severa, obtinut fara nici un fel de intervenție in procesul de nanostructurare, nici in ceea ce privește caracteristica mecanica ce se modifica prin nanostructurare si nici in ceea ce privește nivelul acestei modificări.

Privitor la metodele de nanostructurare prin deformare plastica severa, o metoda recent aparuta este aceea bazata pe forfecare multidirectionala controlata la care cinematica procesului de deformare plastica este controlata numeric si permite schimbarea permanenta a direcției de forfecare.

Unul dintre dezavantajele actualelor metode de nanostructurare prin deformare plastica severa este acela ca nu se tine cont de legătură ce exista intre caracteristicile structurii cristaline a materialului, starea de tensiune la care acesta este supus in timpul procesului de nanostructurare, direcția după care are loc deformarea plastica, pe de o parte, si, pe de alta parte, proprietățile finale lae materialului nanostructurat.

In prezent, nu se cunosc metode de proiectare a patemurilor dizlocatiiior la deformarea plastica severa a materialelor metalice.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția este proiectarea patemurilor dislocatiilor la deformarea plastica severa a unui material metalic astfel incat efectul superplasticizare, urmare a nanostructurarii, sa fie maximizat.

Metoda de proiectare a patemurilor dizlocatiiior la deformarea plastica severa a materialelor metalice, caracterizata prin aceea ca a) mai intai se realizează o imagine cu microscopie cu transmisie electronica aunui volum finite de material metalic ce va fi supus nanostructurarii, apoi se analizeaza liniile de dislocații vizibile care se discretizeaza intr-un număr de segmente finite obtinandu-se coordonatele punctelor ce definesc segmentele finite, ceea ce permite reconstituirea liniei de dislocatie inițiala in coordonate discrete, si prin aceea ca b) prin simularea cu dinamica moleculara se generează forme conformationale ale proteinelor lungi pe durate de ordinul ns, ce constituie baze de date, si din acestea se selectează acele firme care corespund mtr-una din stări cu forma inițiala a liniei de dislocării din materialul ce se supune nanosiructurarii, precum si prin aceea ca c) se aleg forme tinta ale dislocatiei in timpul procesului de nanostructurare prin deformare plastica

(V 2 Ο 1 Π - Ο ' C - ,.. 1 9 -11- 2010 . ., .

traiectoria de aplicare a deformatiei pe evoluției programate a entropiei elastice aflata in legătură cu densitatea de dislocații din materialul supus nanostructurarii.

Mai jos se prezintă un exemplu de aplicare a invenției in legătură cu figurile ί.,ό, după cum urmeaza:

Fig. 1 - Discretizarea unui front de dislocații in segmente <

Fig. 2 Evoluția frontului de dislocații pe un interval Ati, avand ca patern tinta o configurație inspirata din mecanismul de îndoire - dezdoire al unei proteine Fig. 3 Discretizarea dislocatiilor la deformarea Al si vizualizarea interacțiunilor cu un film de A1₂O₃. Imagine TEM pentru deformarea, (a-c) 400 kV, T=325°C. (a) t=0 s. (b) t=0,76 s, dislocatia face un salt la interacțiunea cu A1₂O₃. (c) t=l3,0 s, remtersectia cu suprafața fîliforma. (d-g) 1 MV, T=250°C, al doilea ciclu de încălzire, (d) t=0 s. (e) t=0,40 s. (f) t=7,96 s. (g) t=8,88 s. bazata pe [B. J. Inkson, G. Dehm and T. Wagner, In situ TEM observation of dislocation motion in thermally strained Al nanowires, Acta Materialia, Volume 50, Issue 20, 3 December 2002, Pages 50335047]

Fig. 4 Stări conformationale ale proteinei UBIQU1TIN la întindere

Fig. 5 Energia potențiala (energia interna totala U) corespunzătoare UBIQUITIN la întinderea cu o forța de 500pN, după un timp t=80ns de aplicare a forței. Fig. 6 Conceperea paternului tinta pentru evoluția dislocatiei considerate

Metoda consta in parcurgerea următorilor pași:

(a) Vizualizarea dislocatiilor dintr-un volum finit de material metalic supus unei deformări plastice severe la s incremente de timp din timpul deformatii. Timpul este exprimat in secunde. Imaginea este obtinuta prin microscopie cu transmisie electronica (TEM) cu o magnitudine ce pune in evidenta frontul de dislocații. Frontul de dislocații este compus din segmente drepte si curbe.

(5) Discretizarea acestui front de dislocații in segmente infînitenzimale. Fiecare segment este mărginit de doi atomi virtuali. In explicarea metodei se face ipoteza ca un front de dislocatie va fi reprezentat pnntr-o înșiruire de n sfere mici, numiți atomi virtuali, aflati la distante Li unul de celalalt. Poziția fiecărui atom virtual, la momentul tO=Os al deformării, este notata cu Pi, unde i=l-n, asa cum este aratat in fig. 1.

(c) Cu aceasta configurație a atomilor virtuali, se face modelul de simulare in dinamica moleculara, si se da o evoluție de ordinul At(ns) pentru a se putea estima starea energetica a acestei configurații. Se noteaza cu Ui starea energetica corespunzătoare acestei configurații, la momentul t=to+ At; Se masoara si densitatea dislocatiilor din imaginile TEM. Aceasta mărime este notata cu δ,.

(d) Prin simulare cu dinamica moleculara se generează o baza de date conținând diferite succesiuni de stări confrmationale ale proteinelor cu lanțuri lungi de atomi. Pentru a se obține stări conformationale in intervale de timp de ordinul ns, proteinelor li se aplica tensiuni de întindere si apoi de compresiune. Astfel, prin simularea cu dinamica moleculara se obține configurația proteinelor in diferite stări c ^i^de stan energetice diferite, ^kdata de potențialul Gibbs baza de date se alege îecarei de îndoiri si dezdoiri. Fiecare stare este Probabilitatea de a trece de la o stare ener (energia libera) corespunzatoa

ir 2 O Π - O 1 1 4 O - - f. succesiunea de configurații a proteinei, cu nivelul energetic, de te as iUi sVdeÎorrnatii corespunzător si care servește ca patern tinta pentru evoluția dislocatiei considerate la punctul (b).

(e) In modelul de dinamica moleculara al dislocatiei considerate, se da o evoluție de ordinul ns impunând condiții de evoluție corespunzătoare unor tensiuni si defonnatii alese la punctul, precum si deplasări (Pi-P\) fiecărui atom. Astfel, după evoluție pe un interval At, , noua configurație a frontului de dislocatie va fi ca cea din fig. 2.

(f) Se calculează densitatea de dislocatie in aceasta stare conformationala corespunzătoare timpului t+ At,, si careia ii corespunde o stare energetica U₂, prin aplicarea ecuației fundamentale a termodinamicii (1) dU = TdS-PdV (1), unde U este energia potențiala la starea 2, adica U₂, cunoscuta din calculul cu dinamica moleculara; Τ, P si V sunt temperatura, presiunea si volumul care sunt menținute constant (sistem microcanonic), iar S este entropia elastica.

Astfel, se determina entropia elastica (S) corespunzătoare acestei stări caracterizata de o anumita densitate de dilocatii δ, > δ,.

In concret, pentru a genera superplasticitate in materialul supus deformării, ar trebui ca in intervalul [0-0,76 s], alegand unitatea de timp ns, de exemplu, sa avem o multitudine de stări conformationale, in care dislocatia se dezvolta pe patern uri de fblding-unfolding, similar cu cel al proteinelor. Generarea acestor stări conformationale intermediare se poate obține prin controlarea nivelului de tensiuni de forfecare, combinata cu direcția de deformare care sa respecte curbele de mcarcare/descarcare (reproduse la o anumita scara) realizate pentru proteine.

Acest patern de incarcare/descarcare reprezintă suma trecerilor dintr-o stare m alta caracterizate de salturi energetice ale fiecărui atom de la frontiera unei dislocații.

In modelarea dinamica, presupunem ca un canal energetic corespunzător unei dilsocatii este modelat prin sfere ce au atribuite formele de energie descrise anterior

L t( tal If b_Ond fUdlhedral L van der Waals HCoulomb

La nivelul deformărilor plastice ce duc la obținerea structurilor “ultrafine grained”, lungimea y_c si rectilinitatea liniei dislocatiei este limitata de marimea grăuntelui. Daca procedeul de nanostructurare duce la obținerea nanograuntilor (<20nm), aceasta linie de dislocatie va putea fi considerata o granița intre doua fronturi de grăunți. In mecanica continua, este foarte dificil de modelat, de aceea modalitatea de studiu la acest nivel este bazata pe dinamica moleculara.

Consideram ca dislocatia este formata din atomi (virtuali) si este divizata intr-un număr finit de segmente P₁₃ definite intre doi atomi.

Prin simulare cu dinamica moleculara generam stările conformationale ale proteinei UBIQUITIN, a cărei structura cristalina a fost descărcata din Banca de Proteine, pentru un timp de evoluție de 80ns. In fig. 4 sunt exemplificate 3 stări (inițiala, intermediara (t=40ns) si finala (t=80ns) din prin algoritmul “viteza constanta”.

ο-1 7 1 Ο - ο ' X Ο - 1 9 -11- 2010 χ

Din conformația proteinei la 80ns sunt extrase coodonarele aton lor vir u al i in care a fost discretizata aceasta curba, pentru a se putea trasa paternul tinta al lislocatiei de la materialul metalic.

Energia interna totala asociata stării corespunzătoare lui u=80ns este prezentata in graficul din fig. 5.

Tabel nr. 1 - Poziția paternului tinta determinat prin coordonate in sistemul cartezian

Eticheta atomului virtual	X	y	z
Pl	xl	yi	zl
P2	x2	v2	z2
P3	x3	y3	z3
P4	x4	y4	z4
P5	x5	v5	z5
Pi	xi	vi	zi
Pn	xn	yn	zn

In fig. 6 se prezintă conceperea paternului tinta, pe baza valorilor obținute din mimica proteinei UBIQUITTN, prezentate in tabelul 1.

Se calculează densitatea de dislocații in aceasta varianta, după relația (3)

PsSD

-2y_cpl_SDV|Y“ )

si PsSD^ț ~ θ) PsSD„ (3) ce reprezintă relația generalizata propusa de [Essmann and Mughrabi, 1979], Viteza de acumulare (primul termen din partea dreapta a ecuației 11) este legat de media lungimii segmentului de dislocații ale dislocatiilor mobile (SSD’s) in sistemul α Z/, care este determinat de microstructura, adica de starea dislocatiilor reale, exprimata prin relația[Tabourot et al., 1997; Arsenlis and Parks, 2002],

Aici, este o constanta si Ζ/αξ indica imobilizarea mutuala dintre dislocatiile diferitelor sisteme de alunecare. Viteza de anihilare (al doilea termen in membrul drept al ecuației (4)) este controlat de lungimea y_c de anihilare, care este un parametru de material ce caracterizează media distantei dintre doua dislocații de semn opus care tind spre neutralizare.

Cunoscând densitatea de dislocații, se determina deformatia γ^α ce corespunde lui 1/, din fig. 6. Prin integrarea lui γ“ pe un interval de timp exprimat in secunde, corespunzător procesului de nanostructurare prin FMC, se afla curba de solicitare ce trebuie aplicata materialului de nanostructura, astfel incat la scara nano sa se obțină evoluția de dislocații stabilita si, corespunzător, un nivel de superplasticitate programat.

Aceasta curba este posibil de programat, datorita facilității echipamentului de

C^-2 0 1 0 - 0 1 1 4 0 -Invenția prezintă următoarele avantaje: 19 11“ 2010

- se poate exploata la maximum capacitatea de deformare plastica a unui material ordinar;

- se poate aplica la toate instalațiile de nanostructurare unde starea de tensiuni si deformatii la care este supus materialul in timpul nanostructurarii poate fi modificata, atat in ceea ce privește marimea, cat si direcția.

Claims (4)

1. Revendicări ^2010-01140-- f 1 9 -11- 2010

   1) Metoda de proiectare a patern urii or dizlocatiilor la deformarea plastica severa a materialelor metalice, caracterizata prin aceea ca, mai intai se realizează o imagine cu microscopie cu transmisie electronica aunui volum finite de material metalic ce va fi supus nanostructurarii, apoi se analizeaza liniile de dislocații vizibile cate se discretizeaza intr-un număr de segmente finite obtinandu-se coordonatele punctelor ce definesc segmentele finite, ceea ce permite reconstituirea liniei de dislocatie inițiala in coordonate discrete.
2. 2) Metoda de proiectare a patemurilor dizlocatiilor la deformarea plastica severa a materialelor metalice, conform revendicării 1, caracterizata prin aceea ca, prin simularea cu dinamica moleculara se generează forme conformationale ale proteinelor lungi pe durate de ordinul ns, ce constituie baze de date, si din acestea se selectează acele forme care corespund intr-una din stări cu forma inițiala a liniei de dislocații din materialul ce se supune nanostructurarii.
3. 3) Metoda de proiectare a patemurilor dizlocatiilor la deformarea plastica severa a materialelor metalice, conform revendicării 1, caracterizata prin aceea ca, se aleg forme tinta ale dislocatiei in timpul procesului de nanostructurare prin deformare plastica severa (FMC) bazate pe mimica evoluției proteinelor la îractiune/compresiune, care sa corespunda unui nivel mic de energie entropica la o lungime mai mare a dislocatiei, fata de starea inițiala.
4. 4) Metoda de proiectare a patemurilor dizlocatiilor la deformarea plastica severa a materialelor metalice, conform revendicării 1, caracterizata prin aceea ca, in final se construiește traiectoria de aplicare a deformatiei pe evoluției programate a entropiei elastice aflata in legătură cu densitatea de dislocații din materialul supus nanostructurarii.

   cv 2 0 1 0 - o 1 1 A 0 - 1 9 -11- 2010

   Lista figurilor

   Fig. 1 - Discretizarea unui front de dislocații in segmente Lj

   Fig. 2 Evoluția frontului de dislocații pe un interval Ati, avand ca patern tinta o configurație inspirata din mecanismul de îndoire - dezdoire al unei proteine

   02 0 10-01140-1 9 Ί1- 2010

   Fig. 3 Discretizarea dislocatiilor la deformarea Al si vizualizarea interacțiunilor cu un film de AI2O3. Imagine TEM pentru deformarea, (a-c) 400 kV, T=325°C. (a) t=0 s. (b) t=0,76 s, dislocatia face un salt la interacțiunea cu AI2O3. (c) t=13,0 s, reintersectia cu suprafața fîliforma. (d-g) 1 MV, T=250°C, al doilea ciclu de încălzire, (d) t=0 s. (e) t=0,40 s. (f) t=7,96 s. (g) t=8,88 s. bazata pe [B. J. lnkson, G. Dehm and T. Wagner, In situ TEM observation of dislocation motion in thermally strained Al nanowires, Acta Materialia. Volume 50, Issue 20, 3 December 2002, Pages 50335047]