Atomistic Simulation of the Effect of Temperature on Mechanical Properties of some Nano-Crystalline Metals
Description
For materials with high ductility, malleability and conductivity, temperature will have significant impact on the material properties. This is especially true for pure elemental metals which have a wide range of applications due to their ultrahigh strengths. Recently, the study of damage mechanism at the nano- and micro level has attracted a significant interest and research. However, the current understanding of deformation mechanisms in nanocrystalline metals in relation to atomic structure and behavior is insufficient. In this study, atomistic simulation of uniaxial tension at nano-scale was performed at a fixed rate of loading (500 ms^-1) on some nano-crystalline face centered cubic metals (Al, Cu, and Ni), to study the nature of tensile deformation at different temperatures using the embedded-atomic method (EAM) potential function. The simulation results show a rapid increase in the stress up to a maximum value followed by a sharp drop when the nanocrystal fails by ductile dislocation. The drop in the stress-strain curves can be attributed to the rearrangement of atoms to a new or modified crystalline structure. Additional simulations were run to study the effects of temperature on the stress-strain curve of nano-crystals. The result shows that increasing temperature weakens the ductility of these nanomaterials. In this investigation, the strain corresponding to yielding stress is observed to be lower with increasing temperature. Finally, the evolution of crystalline microstructure during the entire tensile process was investigated. The atomistic simulation result of tensile deformation at nanoscale obtained in this study agree with plasticity phenomenon observed in macroscale.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
بالنسبة للمواد ذات الليونة العالية والمرونة والموصلية، سيكون لدرجة الحرارة تأثير كبير على خصائص المادة. وينطبق هذا بشكل خاص على المعادن الأولية النقية التي لديها مجموعة واسعة من التطبيقات بسبب قوتها الفائقة. في الآونة الأخيرة، جذبت دراسة آلية الضرر على المستوى النانوي والجزئي اهتمامًا وبحوثًا كبيرة. ومع ذلك، فإن الفهم الحالي لآليات التشوه في المعادن النانوية البلورية فيما يتعلق بالبنية والسلوك الذري غير كافٍ. في هذه الدراسة، تم إجراء محاكاة ذرية للتوتر أحادي المحور على نطاق النانو بمعدل تحميل ثابت (500 مللي ثانية^-1) على بعض المعادن المكعبة المركزية ذات الوجه النانوي البلوري (Al و Cu و Ni)، لدراسة طبيعة تشوه الشد عند درجات حرارة مختلفة باستخدام الوظيفة المحتملة للطريقة الذرية المضمنة (EAM). تُظهر نتائج المحاكاة زيادة سريعة في الإجهاد تصل إلى قيمة قصوى يتبعها انخفاض حاد عندما تفشل البلورة النانوية بسبب خلع الدكتايل. يمكن أن يعزى الانخفاض في منحنيات الإجهاد والانفعال إلى إعادة ترتيب الذرات إلى بنية بلورية جديدة أو معدلة. تم إجراء عمليات محاكاة إضافية لدراسة تأثيرات درجة الحرارة على منحنى الإجهاد والانفعال للبلورات النانوية. تظهر النتيجة أن زيادة درجة الحرارة تضعف ليونة هذه المواد النانوية. في هذا الاستقصاء، لوحظ أن الانفعال المقابل للإجهاد الناتج يكون أقل مع زيادة درجة الحرارة. أخيرًا، تم التحقيق في تطور البنية المجهرية البلورية خلال عملية الشد بأكملها. تتفق نتيجة المحاكاة الذرية لتشوه الشد في المقياس النانوي التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة مع ظاهرة اللدونة التي لوحظت في المقياس الكبير.Translated Description (French)
Pour les matériaux à haute ductilité, malléabilité et conductivité, la température aura un impact significatif sur les propriétés du matériau. Cela est particulièrement vrai pour les métaux élémentaires purs qui ont un large éventail d'applications en raison de leurs résistances ultra-élevées. Récemment, l'étude du mécanisme de dommage au niveau nano- et micro a suscité un intérêt et des recherches importants. Cependant, la compréhension actuelle des mécanismes de déformation dans les métaux nanocristallins en relation avec la structure et le comportement atomiques est insuffisante. Dans cette étude, la simulation atomistique de la tension uniaxiale à l'échelle nanométrique a été réalisée à une vitesse de charge fixe (500 ms^-1) sur certains métaux cubiques nanocristallins centrés sur la face (Al, Cu et Ni), pour étudier la nature de la déformation en traction à différentes températures en utilisant la fonction de potentiel de la méthode atomique intégrée (EAM). Les résultats de la simulation montrent une augmentation rapide de la contrainte jusqu'à une valeur maximale suivie d'une forte baisse lorsque le nanocristal tombe en panne par dislocation ductile. La chute des courbes contrainte-déformation peut être attribuée au réarrangement des atomes en une structure cristalline nouvelle ou modifiée. Des simulations supplémentaires ont été effectuées pour étudier les effets de la température sur la courbe contrainte-déformation des nanocristaux. Le résultat montre que l'augmentation de la température affaiblit la ductilité de ces nanomatériaux. Dans cette étude, on observe que la déformation correspondant à la contrainte cédant est plus faible avec l'augmentation de la température. Enfin, l'évolution de la microstructure cristalline pendant tout le processus de traction a été étudiée. Le résultat de la simulation atomistique de la déformation par traction à l'échelle nanométrique obtenue dans cette étude est en accord avec le phénomène de plasticité observé à l'échelle macroscopique.Translated Description (Spanish)
Para materiales con alta ductilidad, maleabilidad y conductividad, la temperatura tendrá un impacto significativo en las propiedades del material. Esto es especialmente cierto para los metales elementales puros que tienen una amplia gama de aplicaciones debido a sus resistencias ultraaltas. Recientemente, el estudio del mecanismo de daño a nivel nano y micro ha atraído un interés e investigación significativos. Sin embargo, la comprensión actual de los mecanismos de deformación en metales nanocristalinos en relación con la estructura y el comportamiento atómico es insuficiente. En este estudio, la simulación atomística de la tensión uniaxial a nanoescala se realizó a una tasa fija de carga (500 ms^-1) en algunos metales cúbicos centrados en la cara nanocristalina (Al, Cu y Ni), para estudiar la naturaleza de la deformación por tracción a diferentes temperaturas utilizando la función potencial del método atómico incrustado (EAM). Los resultados de la simulación muestran un rápido aumento de la tensión hasta un valor máximo seguido de una fuerte caída cuando el nanocristal falla por dislocación dúctil. La caída en las curvas de tensión-deformación se puede atribuir a la reorganización de los átomos a una estructura cristalina nueva o modificada. Se realizaron simulaciones adicionales para estudiar los efectos de la temperatura en la curva de tensión-deformación de los nanocristales. El resultado muestra que el aumento de la temperatura debilita la ductilidad de estos nanomateriales. En esta investigación, se observa que la deformación correspondiente al esfuerzo de fluencia es menor con el aumento de la temperatura. Finalmente, se investigó la evolución de la microestructura cristalina durante todo el proceso de tracción. El resultado de la simulación atomística de la deformación por tracción a nanoescala obtenido en este estudio concuerda con el fenómeno de plasticidad observado en macroescala.Files
14.pdf
Files
(22 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:5a2bce9d53f443761357fef4f5674ca7
|
22 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- المحاكاة الذرية لتأثير درجة الحرارة على الخواص الميكانيكية لبعض المعادن النانوية البلورية
- Translated title (French)
- Simulation atomique de l'effet de la température sur les propriétés mécaniques de certains métaux nanocristallins
- Translated title (Spanish)
- Simulación atomística del efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas de algunos metales nanocristalinos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4293862088
- DOI
- 10.46481/asr.2022.1.2.33