haku: @instructor Alava, Mikko / yhteensä: 12
viite: 7 / 12
| Tekijä: | Vuorinen, Ville |
| Työn nimi: | Glassy Motion of an Elastic Line - Dislocation and a Solute Cloud |
| Elastisen viivan dynamiikka - dislokaatio ja soluuttipilvi | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2004 |
| Sivut: | 80 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto |
| Oppiaine: | Fysiikka (Tfy-3) |
| Valvoja: | Nieminen, Risto |
| Ohjaaja: | Alava, Mikko |
| OEVS: | Sähköinen arkistokappale on luettavissa Aalto Thesis Databasen kautta.
Ohje Digitaalisten opinnäytteiden lukeminen Aalto-yliopiston Harald Herlin -oppimiskeskuksen suljetussa verkossaOppimiskeskuksen suljetussa verkossa voi lukea sellaisia digitaalisia ja digitoituja opinnäytteitä, joille ei ole saatu julkaisulupaa avoimessa verkossa. Oppimiskeskuksen yhteystiedot ja aukioloajat: https://learningcentre.aalto.fi/fi/harald-herlin-oppimiskeskus/ Opinnäytteitä voi lukea Oppimiskeskuksen asiakaskoneilla, joita löytyy kaikista kerroksista.
Kirjautuminen asiakaskoneille
Opinnäytteen avaaminen
Opinnäytteen lukeminen
Opinnäytteen tulostus
|
| Sijainti: | P1 Ark TF80 | Arkisto |
| Avainsanat: | dislocation solute elasticity PLC hysteresis dislokaatio soluutti elastisuus PLC hystereesi |
| Tiivistelmä (fin): | Diplomityössä tutkitaan satunnaisympäristössä liikkuvan elastisen viivan dynamiikkaa tarkoitusta varten kehitetyn yksinkertaistetun tietokonemallin avulla. Viiva ja sen ympäristössä diffundoituvat epäpuhtaudet vuorovaikuttavat törmätessään eli pistekontaktin kautta. Monista analogioista johtuen mallia kutsutaan soluutti-dislokaatio-malliksi (SD). Näin ollen simuloitava 'viiva' siis liitetään hilarakenteissa ilmeneviin viivamaisiin dislokaatioihin sekä liikkuvat 'epäpuhtaudet' soluuttiatomeihin, joiden tiedetään monissa tapauksissa hakeutuvan dislokaatioiden läheisyyteen. Asiasta tekee mielenkiintoisen se. että em. komponenttien välisen vuorovaikutuksen, tilanteeseen liittyvien relevanttien aika- ja pituusskaalojen ymmärtäminen sekä systeemiin liittyvät hystereettiset muisti-ilmiöt saattaisivat tuoda uutta ymmärrystä materiaalifysiikan alalle. Erityisesti sykliselle rasitukselle altistuvien mekaanisten osien kestävyysominaisuuksiin voitaisiin mahdollisesti paremmin vaikuttaa, jos dislokaatioiden liikettä materiaalin sisällä pystyttäisiin kontrolloimaan. Diplomityössä on havaittu, että pelkästään yhden dislokaation ja soluuttien osalta todellisiin systeemeihin liittyy käytännössä lukuisia toisiinsa kytkeytyviä mekanismeja, joiden mallintaminen saattaisi olla olennaista yksittäisten dislokaatioiden sekä näiden kollektiivisen liikkeen ymmärtämiseksi plastisessa muodonmuutoksessa. Toisaalta, kuten työssä kehitetyn todennäköisyysmallin avulla on havaittu, kytkentä yksittäisen soluutin ja pistedislokaation välillä sekä prosessiin liittyvät aktivaatioenergiat saattavat olla ymmärrettävissä varsin yksinkertaisen Markov-prosessin avulla. Esimerkkeinä SD-mallissa mallintamatta jätetyistä ilmiöistä mainittakoon soluuttien diffuusio anisotrooppisessa jännityskentässä, josta saattaa seurata soluuttien voimakas lokalisaatio tiettyihin osiin dislokaatioita sekä nopealla aikaskaalalla tapahtuva diffuusio dislokaation ytimessä, dislokaatioviivaa pitkin. Tästä seuraten SD-mallista saadut olennaisimmat tulokset saatiinkin sellaisissa tilanteissa, joissa ongelman asettelu on mahdollisimman geneerinen. Työn päätulos liittyy dislokaation nopeuden bifurkaatioon tietyissä parametrialueissa. Kyseiset, ilmiötä olennaisimmin kuvaavat parametrit liittyvät soluutin mobiliteettiin, joka on lämpötilaan rinnastettava suure ja dislokaatiota ajavaan voimaan. 'Sifurkaatiossa' dislokaation keskimääräinen nopeus ei ole enää yksikäsitteisesti voiman funktio vaan on mahdollista havaita esimerkiksi kaksihuippuinen todennäköisyysjakauma. Diplomityössä ilmiön on demonstroitu johtuvan harvassa sijaitsevista vahvoista ja mobiileista soluuteista. Ajoittain soluutit kaappaavat dislokaation, jolloin systeemi ajautuu hitaasti liikkuvaan dynaamiseen tilaan, missä soluutit liikkuvat dislokaation mukana sen jännityskentässä ja dislokaatio alkaa kaareutua vierekkäisten soluuttien välillä. Karakteristisen ajan kuluttua kaarevuus on kuitenkin kasvanut niin suureksi, että dislokaatio kykenee 'riuhtaisemaan' itsensä vapaaksi alkaen taas liikkua nopeammin. Ilmiö saattaa liittyä mielenkiintoisella tavalla vetokokeissa havaittavaan nk. PLC-ilmiöön, jossa materiaalin jännitys pienenee purskeittain ajassa. PLC:ta nimittäin havaitaan tyypillisesti vain tietyissä lämpötilaolosuhteissa ja epäpuhtausasteilla. Työn toinen päätulos liittyy nopeuden hystereesiin: jos ajavaa voimaa säädellään jaksollisesti, niin nopeus-voima-käyrä tekee silmukan, jonka alempi haara vastaa tapausta, missä voima kasvaa ja ylempi pienenevän voiman tapausta. Hystereesi on ennustettavissa jo keskimääräisen kentän argumenteilla soluuttien dislokaatiolle kerääntymisestä johtuvaksi. Kysymykseksi jää, miten dislokaation elastisuus näkyy hystereesikokeessa. SD-mallilla tehdyistä simulaatioista havaitaan argumentoidut ennustukset: hystereesin voimakkuus ja nopeuden vaihteluväli ovat monimutkainen kombinaatio mm. soluuttikonsentraatiosta, mobiliteetista, ajavan voiman vaihteluvälistä sekä käytetystä taajuudesta. Olennaisesti hystereesin havaitaan johtuvan siitä, että soluutit pystyvät kerääntymään dislokaatiolle tämän liikkuessa hitaasti, jolloin dislokaation kiihdyttäminen vaikeutuu ja hystereesisilmukka selittyy kvalitatiivisesti. Sen sijaan elastisuuden vaikutus hystereesiin jää tulosten nojalla hieman epäselväksi. Tämä on selitettävissä nk. Larkin-pituuden pienuudella, jolloin dislokaation kaarevuuteen ei päästä käytetyssä parametrialueessa käsiksi. Diplomityössä kuitenkin todetaan, että elastisuuden vaikutusta hystereesiin olisi mahdollista tutkia käyttämällä SD-mallissa pienempiä soluuttikonsentraatioita ja vahvempaa arvoa pistevuorovaikutukselle. Työssä myös pohditaan muita vaihtoehtoja hystereesikokeen tekemiselle. |
| Tiivistelmä (eng): | In this thesis the dynamics of an elastic line in random environment was studied by means of a simplified simulation model that was developed for this purpose. The line and the impurities that diffuse in the environment interact by direct contact. Due to many analogies the model was named to be the 'solute-dislocation'-model (SD). Consequently, the 'line' is related to dislocation lines in crystalline solids and the 'impurities' can be thought of as diffusing solute atoms which in many cases are known to segregate to the dislocations. Understanding the interaction mechanisms, history dependence (hysteresis) and the relevant time and length scales in this kind of system is interesting since these aspects could combine to be of practical help in the field of material physics. In specific, understanding the physics of dislocations is important since plastic deformation of materials is basically a question of dislocations and their movement inside a crystal. It has been noticed in the thesis that realistic dislocation-solute systems have several complicated and intertwined mechanisms the modelling of which might be necessary for obtaining physically relevant results in plastic deformation. In contrast, as has been noted in the thesis, the coupling between a single solute and a dislocation as well as the related activation energies could be understood by means of a developed simplistic Markov-model. Some processes that have not been modelled in the SD-model are for instance diffusion in an anisotropic stress-field that can have essential consequences in preferential directions of solute localization along the dislocation and diffusion along the core that is believed to happen in a very fast timescale. Thus, taking these aspects into account, the main results of the SD-model were also achieved from situations in which the problem setting is as generic as possible. The main result of the work is related to the bifurcation of dislocation velocity in a certain range of parameters that are related to the solute mobility and external drive that are quantities analogous to temperature and the force that is driving the dislocation into a given direction. In bifurcation the mean velocity of dislocation is not uniquely defined by the value of the driving force but, in contrast, one may obtain for instance a bimodal velocity distribution with two dynamic states: fast and slowly moving. It was demonstrated that the phenomenon follows from the extra timescale that the mobility of strongly interacting and sparsely located solutes introduces. Occasionally, a freely moving dislocation gets trapped by the solutes and falls into a state in which it is moving slowly. However, when trapped, the dislocation begins to bow out between two adjacent solutes and finally after a characteristic time the dislocation escapes from the solutes and returns back to the fast moving state since the curvature force has become strong enough. The bifurcation might be interestingly related to the so called PLC-effect observed in tensile tests as serrations in the stress-time curves. Namely, PLC is typically observed only within a certain range of temperatures, with certain solute concentrations and it is related to the motion of dislocations. The other main result of the work is related to hysteresis of velocity: if the driving force is varied periodically the force-velocity curve forms a 'loop' and is not single valued anymore. The lower branch of the loop corresponds to the case in which the force is increasing and the upper branch to the case in which the force is decreasing. In fact, hysteresis can be observed even in the developed simplistic mean-field (MF) equations that predict it to originate from the segregation of solutes to the dislocation when the dislocation is moving slowly. The remaining question concerns elasticity: what is its role in the hysteresis? From the SD-model one observes the same qualitative results as from the MF-equations i.e. hysteresis is strongly due to the solute segregation and its strength is a complicated combination of solute mobility and concentration, the interval in which the force is being varied and the used frequency. In principal if the dislocation is allowed to move slowly for a long enough time it may become trapped by the solutes and, as the dislocation is being accelerated, the solute drag force explains the loop. However, the role of elasticity in hysteresis remained somewhat unclear in the results of the SD-model which was explained by means of a so called Larkin-length which was quite small in the simulations. The Larkin-length could be made larger by giving a larger value to the solute-dislocation interaction and using smaller concentrations. In the thesis also other alternatives for making a hysteresis experiment were discussed. |
| ED: | 2004-11-26 |
INSSI tietueen numero: 26528
+ lisää koriin
INSSI