Closing the gaps in multiscale materials modeling of precipitation free zones in alloys ("Mind the gap")

I dette prosjektet har vi satt opp matematisk modeller av ørsmå, men viktige soner i støtfangersystemer av aluminium for å studere kaoset vi forårsaker på atomnivå når vi krasjer. Modellene har gitt oss ny viten om hvordan materialsammensetningen påvirker de mekaniske egenskapene til aluminiumlegeringer. Ved å koble denne kunnskapen til kompetanse som designere av bildeler sitter med, kan vi lage legeringer som vil gjøre biler sikrere og samtidig lettere. I aluminium er metallet inndelt i soner som kalles korn. Hvert korn består av atomer som er "stablet" i et velordnet 3D-gitter, med en og samme romlige orientering. Kornene er veldig sterke. Men mellom dem ligger tynne svakere soner som kan fungere mer som en slags glidelåser ved at brudd i materialet skjer her. Det er disse vi nå skal se inn i. For ingen vet hvordan materialet i disse sonene oppfører seg når vi krasjer. Når du krasjer, forskyves lag i stabelen. Uordenen som oppstår, varierer fra legering til legering. Og jo raskere og jo mer dette rotet får bre seg ved en gitt kollisjon, jo større er sjansen for at du kommer uskadd ut av bilen. Men slike fenomener har det vært umulig å regne på til nå. Ved en bilkrasj kan atomer i bildeler bli skjøvet ut av den stillingen de helst vil ha. På fagspråket kalles dette dislokasjoner. Hvis mange slike forskyvninger oppstår nesten samtidig, kan de bremse hverandre. I tillegg finnes det Dette bidrar til å holde materialet sammen. Forskyves atomer uten å møte særlig motstand, kan resultatet bli et brudd i materialet. Det er når dette skjer i glidelåsene i metallet slik at de åpner seg, at brudd i materialet oppstår, og det er derfor det er så viktig å forstå disse. Vi har brukt flere metoder for å undersøke interaksjonen mellom dislokasjoner og presipitater. Disse metodene er koblet med atomistiske metoder og utnytter informasjon fra TEM eksperimenter. Vi har funnet at effekten av presipitatene på styrken til materialet hovedsakelig kommer av tettheten og størrelsen av presipitatene, og i mindre grad av tøyningsfeltet rundt presipitatene. Vi har også undersøkt mekanismen for at dislokasjoner passerer presipitater ved hjelp av atomistiske metoder, og i kombinasjon med eksperimenter og funnet ut at presipitatene i hovedsak skjæres av dislokasjoner og disse skjærplanene er distribuert utover presipitatet. Vi har også studert forskjellige metoder for å undersøke presipitatfrie soner med krystallplastisitet, og funnet ut at det er mulig å fange opp viktig fysikk. Videre har vi regnet ut dekohesjonsstyrken til presipitatene på korngrensen og den tilsvarende kritiske spenningen og undersøkt viktigheten av disse korngrensepresipitatene under brudd i materialet.

Modellene har gitt oss ny viten om hvordan materialsammensetningen påvirker de mekaniske egenskapene til aluminiumlegeringer. Ved å koble denne kunnskapen til kompetanse som designere av bildeler sitter med, kan vi lage legeringer som vil gjøre biler sikrere og samtidig lettere.

The main idea of this project is to combine models and important physics at different scales, from quantum mechanics to continuum theory in a robust and consistently integrated multiscale framework. The goal is to understand the effect of precipitate free zones on the strain localization and ductility in aluminum alloys beyond the understanding gained from experiments and continuum mechanical models. This is a most daring challenge that demands complex coupling between models formulated at different time and length scales. The project aims to both contribute to the fundamental understanding of precipitation free zones in alloys and to the development of general methods for bridging scales in materials modeling. The project will hire a postdoc at NTNU wo rking on the crystal plasticity part of the project, in close collaboration with CRI SIMLab and SINTEF. The post doc will focus on the developing the atomistically informed crystal plasticity model. For the atomistic studies, already existing competence o n Molecular Dynamics, Density Functional theory, the Quasicontinuum method and kinetic Monte Carlo method within the project group will be employed to investigate underlying physical phenomena influencing the mechanical properties of the precipitate free zones in Al alloys. Numerical results and underpinning theory for higher scale models will be generated. Discrete dislocation dynamics simulations informed from MD and DFT will be performed. A crystals plasticity model using numerical results and inform ation on underpinning physics from lower scale models in the constitutive equations will be created. The results will be compared with experimental results and competence from within NTNU and SINTEF for validation on all scales.