Mikro-mekanisk in-situ-provning av gränsytor för flerskalemodellering av brottförlopp

Forskningsprojekt, 2016 – 2019

Traditionellt har utvecklingen av nya och förbättrade material alltid varit en av hörnstenarna som möjliggjort framsteg inom diverse teknologier. Under de senaste decennierna har den snabba utvecklingen av datorstödda beräkningstekniker kunnat effektivisera stora delar av teknologi- och produktutvecklingsprocessen. Detsamma gäller dock inte materialutvecklingen. Det har gjort att materialutvecklingen har gått från att vara en möjliggörare till en bromskloss. Eftersom utvecklingshastigheten för nya material är så pass mycket långsammare än den övriga processen, blir materialegenskaperna ett randvillkor i den optimeringsprocess som utförs. Forskare och ingenjörer kan bara välja material ”ur hyllan”, och måste förhålla sig till existerande begränsningar. Om det vore möjligt att utveckla och optimera materialens mikrostruktur och egenskaper i ett ”virtuellt laboratorium” i datormiljö, utan att behöva tillverka ett stort antal försöksmaterial som följer av den traditionella ”trial-and-error”-metoden, skulle utvecklingscykeln kunna påskyndas drastiskt. Materialegenskaperna skulle därmed bli en tillgänglig variabel vid optimeringen. En lovande metod för att uppnå detta är s.k. flerskalemodellering, som bygger på att materialets mikrostruktur och egenskaper kan förutsägas och integreras över flera skalor. Fullt fungerande skulle en sådan metod innebära att ett materials makroskopiska egenskaper skulle kunna beräknas direkt från kvantmekanikens lagar. Men för att sådana metoder ska fungera i verkligheten krävs det att man kan testa och verifiera de ingående modellerna på alla relevanta skalor för att säkerställa att varje modell klarar av att hantera de variationer i egenskaper som är av intresse i de makroskopiska simuleringarna. I detta projekt fokuserar vi på att utveckla en metod för att kunna utföra mekanisk provning av enstaka gränsytor i materialet. Med hjälp av en fokuserad jonstråle kommer vi att tillverka mikroskopiska provstavar i form av balkar som innehåller enskilda fas- eller korngränser. Balkarna testas sedan mekaniskt inuti ett elektronmikroskop med hjälp av mikro-robotar som böjer balken tills gränsytan spricker. Under hela testet kan provet avbildas i mikroskopet, vilket gör att det är möjligt att visuellt följa hela brottförloppet, och samtidigt mäta t.ex. töjningsfält och spricköppning. När metoden är färdigutvecklad kommer den att tillämpas på en Ni-baserad superlegering som uppvisar spröda korngränsbrott tots ett i övrigt duktilt beteende. Genom att testa ett stort antal gränsytor med olika orienteringsförhållanden och struktur kan man definiera ett statistiskt samband mellan sådana parametrar och gränsytans egenskaper. Detta inkluderas sen i ett modelleringssystem som bygger på avancerade modeller – så kallad kristallplasticitet för att beskriva materialets plastiska deformation, och kohesiva zoner som beskriver gränsytans egenskaper vid deformation och brott. Genom att simulera de utförda testen kan man så bestämma parametrarna i dessa modeller, och hur de varierar som funktion av gränsytornas mikrostruktur. Slutligen kommer modellen att användas för att simulera makroskopiska dragprov för att verifiera att metoden fungerar korrekt. Den omedelbara tillämpningen för en sådan metod är att den möjliggör prediktering av hur makroskopiska egenskaper påverkas av variationer i mikrostrukturen. Det kan t.ex. användas för att utvärdera lämpligheten hos ett material eller en process för en viss tillämpning, för att i datorn utvärdera och optimera egenskaper vid materialutveckling, eller för att bedöma effekterna av en oavsiktlig förändring i en tillverkningsprocess. I förlängningen kan en sådan metod inkluderas i en komplett flerskalemodell, där den kan användas för att validera resultat från kvantmekaniska eller atomistiska modeller, innan dessa förs vidare uppåt i modelleringskedjan. På det sättet är den förslagna forskningen en ovärderlig pusselbit för att kunna adressera problemet med experimentell validering av komponenterna i flerskalemodellen på relevanta längdskalor. Metoden i sig kommer att vara generisk och kan tillämpas på i sort sett alla material som tillåter avbildning i ett elektronmikroskop.