חסרונות הם פגמים קו בתוך מבנה גבישי כי ממלא תפקיד מכריע בקביעת המאפיינים המכניים של מתכות.הבנת כיצד המעברים האלה ואינטראקציה חיונית לפיתוח חומרים חזקים יותר ודלניים יותר. במהלך העשורים האחרונים, סימולציות אטום הופיעו ככלי חיוני לחיקוי של מנגנונים בקנה מידה אטומיים השולטים בדינמיקה של שינוי דרמטי, שיטות עיבוד חומרים מטבולי, וטכניקות של חומרים מקרו-מדומים אלה, יכולים כעת להבין את הטכניקות יצירתיות של שיטות עיבוד חיצוניות של חומרים רציונליות, אשר משמשות, חומרים מקרו-מדומים, חומרים מקרו-מדומים, אשר משמשות, כגון שיטות חשיבה מאקרו-מסוגרטיות, שיטות חשיבה מנגנונים מנגנונים מנגנונים אטומית, אשר שולטים.

The Foundations of Dislocation Dynamics

חסרונות הם פגמים חד-ממדיים של פיגור המאופיין על ידי עיוות של המבנה הקריסטל סביב קו.התנועה שלהם תחת לחץ הירר מיושם הוא המנגנון העיקרי של עיוות פלסטי ברוב מתכות גבישיות.התאוריה של פירוק, שפותחה במחצית הראשונה של המאה העשרים, מסביר מדוע גבישים אמיתיים נכנעים בלחצים של גודל נמוך יותר מאשר הכוח התיאורטי של סימטריה מושלמת.

ניתן לסווג באופן רחב לחוד, בורג וסוגים מעורבים, בהתאם לנטייה של וקטור בורגר יחסית לקו פירוק.צוקה צוקה עובר תהליך הנקרא glide, שבו אטומים משנים אג"ח באופן שווה לאורך מטוס חלקלק. Screw dislocations glied דרך מנגנון הדומה לתנועה של רמפה, והם יכולים גם לעבור מעברים, ממרחקים של מברגים או ממרחקים אחרים, כדי לפירוק, בנוסף לטמפרטורה בינונית.

האינטראקציות בין פירוקים הן עשירות ומורכבות. Dislocations יכול למשוך או לדחות אחד את השני, צורה צומת יציב, להשמיד כאשר של סימן הפוך על אותו מטוס חלקלק, או להיות מסובך.אינטראקציות אלה אחראים על עבודה קשה, שבו החומר הופך חזק יותר כמו זה מפלסטיק deformed. היווצרות של סטיות, מבנים תאים, וגבולות תת-קרקעיים תלוי באופן ביקורתי על הדינמיקה של אטומית, עם סגסוגת קשה, עם אטומית, עם אטומית, עדיין אטומית, עם סגסוגת קשיחה, עם אטומית, עיצוב.

שיטות סימבוליות אטומיות למחקרי משמעת

סימולציות אטום מודל ההתנהגות של חומרים ברמה של אטומים בודדים, מתן חלון ישיר לתוך התהליכים השולטים דינמיקה של פירוק הפירוק.השיטה הנפוצה ביותר היא דינמיקות מולקולרית (MD), המשלבת את משוואות התנועה של ניוטון עבור אלפי מיליארדי אטומים על פני זמן בקנה מידה של פיקו השניות לנונו השניות. סימולציות MD דורשות פוטנציאליות בין- פונקציה מתמטית - המתארת את האנרגיה של תפקוד אטומי כמו פונקציה אטומית של כל אותנטיות של איכות אטומית.

Molecular Dynamics (MD)

בסימולציה MD של דינמיקת פירוק, גביש בנוי עם פירוק מוטבע, לעתים קרובות מוצג על ידי הסרת אטומים על פי פתרון גמישות אסטרוטרופי עבור שדה העקירה. A Shear מתח מוחל, או על ידי deforming Box או על ידי יישום כוחות לאטומי הגבול. כמו הסימולציה מתקדמת, את מהלכים פירוק, ואת ההזרקה שלה יכול להיות במעקב. ... [+] לכידת חוסר קשר מלא בין מנגנונים ליבתיים אחרים, כמו מנגנונים ליקומים, כמו מוטציות, כמו מוטציות, כמו מנגנונים ליבת, כמו מוטציות, כמו מנגנונים מוטציות, מוטציות, מוטציות, מוטציות מוטציות ⁇ , כמו ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , כמו ⁇ , כמו ⁇ , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , כמו ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

פוטנציאלים אטומיים נפוצים עבור מערכות מתכתיות כוללים את שיטת האטום המוטבעת (EAM) ואת כללי תלותיים זוויתיים שלה כגון שיטת אטום מוטבעת שונה (MEAM) עבור מתכות עם אלקטרונים מחוברים בכיוון.לדוגמה, פוטנציאל EAM עבור מחסומים ממוקדים (FCC) כמו אלומיניום, נחושת, ניקל שימש נרחב כדי ללמוד פירוק תנועה, חוצה, יערות, ויורדים, כמו מתכת ממוקדת יותר, מדויק יותר, כגון מתכת מקוטברד (מרכז) או צלולה, מתאים, כגון:

תורת תפקוד הכחשה (DFT)

בעוד MD יכול לדמות מערכות גדולות, הוא מסתמך על פוטנציאל אמפירי אשר עשוי לא ללכוד תהליכים פורצי חוב או אפקטים אלקטרוניים עדינים עם נאמנות גבוהה.דונות פונקציונלית תיאוריה (DFT) מציעה אלטרנטיבה מכנית קוונטית, המחשוב את האנרגיה הכוללת מעקרונות ראשונים על ידי פתרון בעיות MDSD-אלקטרונית רבות.DFT הוא בדרך כלל מוגבל למערכות של כמה מאות אטומים עקב עלות חישובית, אבל זה יכול לספק ערכים מדויקים עבור מנגנונים סטנדרטיים עבור מנגנונים מתאימים, כגון מנגנונים קריטיים, מנגנונים מחסנים, מנגנונים קריטיים, מנגנונים אטומיים.

מחקרים רבים משלבים DFT וMD במסגרת רב-מידה: DFT קובע את האנרגטיים של תצורות ליבה קטנות, בעוד MD חוקר את הדינמיקה של מערכות גדולות יותר.לדוגמה, ההשפעה של אלמנטים ⁇ על gliconconconconcon ⁇ ב superalloys מבוסס ניקל, כבר מוזנח על ידי שילוב של DFT הערכה של אנרגיות sol-דיסקלוקציה מחייב עם סימולציות של תנועה בפתרונות מורכבים של סגסוגת המשיכה.

טכניקות אטומיות אחרות

מעבר לסטנדרט MD, כמה שיטות אטומיות מיוחדות פותחו כדי לטפל במגבלות גודל הזמן והמערכת. Kinetic Monte קרלו (kMC) סימולציות טיפול באירועים המופעלים תרמיים - כגון קפיצות vacancy או הגירה של פירוק קילוק - כמו תהליכי Markov דיסקרטיים דיסקרטיים, המאפשר גישה לתקני זמן ארוכים יותר (מיקרו-שניים עד שניות) מאשר MD.

למידת מכונה (ML) פוטנציאלים אטומיים שינו לאחרונה את התחום.על ידי התאמה למאגרי מידע גדולים של אנרגיות DFT וכוחות באמצעות רשתות עצביות או תהליך גאווססיאן, פוטנציאלי ML יכולים להשיג דיוק קרוב ל-DFT עם יעילות חישובית של פוטנציאלים קלאסיים.זה מאפשר לחוקרים מודל של פירוק חומרים סימולציה מציאותיים, ממשקים מורכבים, וחומרים ננודוריים שהיו בעבר בדוגמאות פוטנציאליות לחיזוי (DS) סימולציה יעילה של חומרים חדשים.

תובנות מפתח של סימלוציות Atomistic של Dislocation Dynamics

סימולציות אטום הניבו תובנות רבות שעצבו מחדש את ההבנה שלנו של הפלסטיות.כאן אנו מדגישים כמה מהממצאים המשמעותיים ביותר.

מבנה ליבה של Dislocation Structures and Peierls Stress

הלחץ של פירס - הלחץ הקליר המינימלי הנדרש כדי להעביר פירוק ב 0K - הוא נכס בסיסי השולט ההתנגדות הפנימית של סימולציות אטום glide. Atomistic חשפו כי הלחץ Peierls הוא רגיש מאוד למבנה הליבה של פירוק, אשר יכול להיות מתכנן, לא מתוכנן, או dissociated לתוך פירוק חלקי על ידי ערימה של התמוטטות בית המשפט, יש רמות גבוהות יותר של פעילות גופנית.

Cross-Slip and Dislocation Multiplication

קרוס-סלם מאפשר פירוק ברג לנוע ממטוס חלק אחד למשנהו, לעקוף מכשולים ומאפשר תהליכי שיקום כמו סימולציה דינמי.דמיות אטומיסטיות זיהו את המנגנונים של חצי-חול ברמה האטומית: זה כרוך בצמצום של חישובים חלקיים לאחר דיסוציאציה מחדש על מטוס אחר.האנרגיה הפעלה עבור צלבים, מקודמת במהירות רבה יותר ממערכות הפעלה של קוד פתוח (Flips) ו-Fudgesssss-RCC מסכים במהירות עם מספר רב-Racklips-Ricertelips-Racklips-Racks-Racks-Racks-R.

אינטראקציות בין-Solute ופתרון מוצק מחזקות

התוספת של אטומים solute היא דרך קלאסית לחזק מתכות. סימולציות Atomistic כינו כיצד solutes אינטראקציה עם disconlocations באמצעות גודל לא הולם, Modulus misfit, ואינטראקציות כימיות. ב ⁇ FCC כמו Cu-Au ואל-Mg, מחקרים MD הראו כי אטומים solute uneconeconconcontconation דרך שילוב של מנגנונים סיכות וגרורתיים קריטיים כגון סגסוגת אנרגיה מוצקה (Ric) כדי ליצור פתרון דינמיים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים כגון מנגנונים מכניים מופעלים מוצקהספקיתיים (Ricial) מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים) כדי מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים דינמיים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים מנגנונים מכניים סגסוגת DCRITRicial כדי מנגנונים דינמיים מנגנונים מכניים (Ricial כדי מנגנונים מכניים) מנגנונים מורכבים, כגון מנגנונים ברורים (Ricial כדי מנגנונים ברורים (Ricial) מנגנונים ברורים מנגנונים ברורים מנגנונים ברורים מנגנונים ברורים מנגנונים ברורים (R

אינטראקציות של Dislocation-Defect

חסרונות לעתים קרובות אינטראקציה עם פגמים אחרים של צמיגים: פגמים נקודה (vacancies, interstitials), precipitates, גבולות דגנים, משטחים חופשיים. סימולציה Atomistic אפיינו את מנגנוני אינטראקציה בפירוט רב. לדוגמה, סימולציות MD של אינטראקציה דיסקורציה קריטית עם קוהרנטים המבוססים על ניקל-בסיס, להראות כי פירוקים יכולים לעבור דרך קיצוצים מוקדם על ידי מבנים קטנים או מגבלות של שידורים.

אתגרים ומגבלות של סימלוציות אטומיסטיות

למרות הכוח שלהם, סימולציות אטום של דינמיקת פירוק פנים כמה אתגרים בסיסיים.הקיצוניים ביותר היא הגבלת זמן: MD יכול בדרך כלל להגיע ננו השניות למיקרו-שניות, בעוד תהליכים של פירוק אמיתי כמו מצמרר או ירידה במשקל מתרחשים במשך שניות עד שעות.ד שיטות הפיכה מרחיבות את טווח ההגעה אבל לעתים קרובות להציג תחזיות שעשויות להתפשר על דיוק, גדלים מערכת מוגבלים או מאות מסגרות של חלקיקים מפותחים, בעודם של חלקיקים פעילים (מפרקים) לתוך חלקיקים מוגבלים) אך לעתים קרובות מארגן חומרים מורכבים (מארגן) לתוך חלקיקים פעילים) אך לעתים קרובות מתחומים גדולים) אך לעתים קרובות מתחומים גדולים יותר ויותר) כדי חלקיקים פעילים, אך לעתים קרובות מתחומים גדולים יותר מתחומים שונים של מודלים של מודלים מורכבים (מארגן חומרים מורכבים) אך לעתים קרובות) כדי מתחומים גדולים של מחקר רב-מארגן את טווחים) אך לעתים קרובות) אך לעתים קרובות.

אתגר נוסף הוא האמינות של פוטנציאלים בין-אטומיים.בעוד שפוטנציאלי EAM מצליחים להפליא למתכות פשוטות, הם לעתים קרובות נכשלים בסגסוגת מורכבת, בין-מטליקים, או כאשר שינויים בסדר כימי.פוטנציאלים של ML מציעים נתיב קדימה, אבל הם דורשים נתונים הכשרה משמעותית ויכולים להיות רגישים לשגיאות של עצירות.

בנוסף, סימולציות אטום לעתים רחוקות משלבות את ההשפעות של אינטראקציות phonon-vacuum כראוי בגלל שיעורי קוכינץ גבוהים או תנאי גבול מלאכותיים. השימוש בתנאי גבול תקופתיים יכול לדכא אינטראקציות גמישות לטווח ארוך או הגבלת ריצוף במובנים לא מציאותיים. סימולציות פינטיט-temptures סובלות גם מרעש סטטיסטי ודורשות זהירות של ממוצעים.

השלכות על עיצוב חומרי

המטרה הסופית של חקר דינמיקת פירוק היא להנחות את הפיתוח של חומרים עם ביצועים מכניים מעולים. סימולציות Atomistic לתרום כעת ישירות לאסטרטגיות עיצוב ⁇ .לדוגמה, על ידי חישוב אנרגיות אינטראקציה solute-dislocation באמצעות DFT, חומרים מדענים יכולים למסך אלמנטים סגסוגת פוטנציאלי עבור ההשפעה שלהם חיזוק ללא ניסויים בסיכון גבוה הניסויים חישוביים חישוביים כאלה כבר מוחל לתכנון גבוה סטריסטרציה, סגסוגת מתקדמת, סגסוגת מתקדמת, כמו סגסוגת מתקדמת, סגסוגת זמן גבוהה, כמו גם עבור יישומים מתקדמים, סגסוגת מתקדמת, סגסוגת מתקדמת, סגסוגת מתקדמת, כמו גם סגסוגת מתקדמת, כמו גם ניסויים מתקדמים.

בתחום העבודה הקשה, סימולציות אטום האירו את התפקיד של פירוק יערות וצומתי פירוק יערות.כוח של רשת פירוק יכול להיות מוערך כעת מהנתונים של צומת של נקודות דרך מודלים אטומיים, האכלה למודלים DDD בקנה מידה גדול יותר. גישה היררכית זו מאפשרת חיזוי של מתח, טמפרטורה, ומבנה ראשוני של מנגנונים דינמיים, שבו מנגנוני דיכוי גרעיניים - שבו אטומיים של מנגנוני אטומיים - שבו לנטרל מנגנוני אטומיים - החלמה קשים.

עוד גבול מרגש הוא העיצוב של ⁇ precipitate-Harded. על ידי הדמיה של חיתוך ו עקיפה של precipitates, ו לכמת את הגודל הקריטי של מעבר, סימולציות אטום עוזר אופטימיזציה בגודל precipitate, ספיגה, ו coherency. in ניקל-base Superalloys, זה הוביל לשיפור ההתנגדות על ידי התאמת ה ⁇ / ⁇ / ⁇ s חמצן של חומרים סגסוגת חיסונית ( ⁇ ) עם סגסוגת אגרסיבית של סגסוגת סגסוגת סגסוגת.

מתכות ננוקריסטלליין, עם גדלים דגנים מתחת 100 nm, להציג הפלסטיות הייחודיות הכרוכות בגבולות דגנים, סיבוב דגנים, פליטת פירוק חלקי מן הגבולות. סימולציות אטום כבר האינתימנטליות בחשיפת המעבר מ- disconconcon-dod to פיזור מבוזרת-מחדש כמו גודל דגנים מופחת. תובנות אלה להנחות את העיצוב של ננוקריסטלליין וציפוי ציפוי עם כוח וכיסוי עם עמידות מוגברת.

לבסוף, התחום הגדל של פיתוח למידת מכונה מציע את ההבטחה של גילוי חומרים מונעים סימולציה. על ידי שילוב סימולציות דו-כיוט גבוהות עם אלגוריתמי אופטימיזציה, ניתן לחפש סגסוגת ומיקרו-מבנה שממקסמים את הכוח תוך שמירה על דיקטיות או תכונות פונקציונליות אחרות.שילוב של סימולציות אטום לתוך מיזם הגנום חומרים ממשיך להאיץ את הפיתוח של מערכות מתכת מתקדמות.

פרספקטיבה עתידית ו- Outlook

התחום של סימולציה אטומה של דינמיקת פירוק מתפתח במהירות.ההתכנסות של מחשוב אקסקלי, למידת מכונה וטכניקות אפיון ניסיוני מתקדמות (כגון ב- situ העברת אלקטרונים microscopy) תאפשר סימולציות מציאותיות יותר כי משתרעות על פני לוחות הזמנים וקשקשים באורך זמן לפני ההגעה. סימולציה היברידית כי זוג מודלים אטומיסטיים עם פלסטיק מתמשך בתוך מסגרת מבוססת נתונים מסוים.

אתגרים נשארים במודל של תנאי טעינה דינמיים, דחיסה בהלם ונזק קרינה שבו התנהגות פירוק הוא בשילוב עם תהליכים פגומים אחרים.המשחק בין פירוקים לתאומים, ממשקים, וגבולות שלב בסגסוגת multiphase מגיע גם חקירה אטומה עמוקה יותר.כפי כלים חישוביים להפוך נגיש יותר, הקהילה מחויבת לענות על שאלות בסיסיות על מקור הכוח והדונות במיקרו-מבנה מורכב.

לסיכום, סימולציות אטום מספקות רמה חסרת תקדים של פרטים על דינמיקת פירוק בקריסטלים מתכתיים.הם חושפים מנגנונים השולטים בחליפיות יסודיות, קשיחות והחלמה, והם משמשים כפלטפורמה חיזוי לעיצוב חומרי רציונלי.עם המשך ההתקדמות במתודולוגיה ובכוח מחשוב, סימולציות אטום יישארו אבן הפינה של המאמץ ליצירת חומרים חזקים, קלים יותר עמידים לעתיד.

עוד ועוד קריאה

  • (ב) [15] ויקיפדיה: דיסלוקולו 1:1 , סקירה כללית של סוגי פירוק התנהגות והתנהגות.
  • (ב) ⁇ :0Wikipedia: Molecular דינמיות מולקולריותFreaLT:1) - תיאור שיטת הסימולציות MD.
  • (ב) [15] נושא המדע: ⁇ ⁇ ⁇ 1:1 - הסבר על פוטנציאלים EAM בשימוש בסימולציות מתכתיות רבות.
  • (FLT:0) "מחשוב על פוטנציאלים בין-אטומיים" מאמר טבע (2021)FLT:1 - סקירה של פוטנציאל למידת מכונה עבור סימולציות אטום.