Аморфные материалы оказались «близнецами» по параметрам пластической деформации

Двумерная гранулярная система, смоделированная на компьютере. Зеленым цветом обозначены области пониженной плотности упаковки, красным — области перестроения струкутры в данный момент времени при пластической деформации
University of Pennsylvania
Для всех твердых систем с аморфной структурой механические параметры, описывающие пластическую деформацию (в частности, деформация на пределе упругости), оказались универсальными. Это обнаружили материаловеды, сравнив данные экспериментов и компьютерного моделирования для различных систем от атомного до макроскопического уровня. В статье, опубликованной в Science, ученые описывают полученные данные и предлагают модель перестройки структуры для описания поведения таких материалов при пластической деформации.
Если твердый кристалл (например, металл) начать растягивать, то сначала в нем возникают упругие деформации, которые полностью исчезают, если внешнюю силу убрать. Если же растягивать чуть сильнее, то в дополнение к упругим возникают пластические деформации. В отличие от упругих, полностью они не восстанавливаются, и их наличие связано с изменением структуры материала. В случае кристалла механизм пластичности связан с образованием дефектов, в первую очередь дислокаций, которые при увеличении нагрузки начинают распространяться по материалу и расти. В случае стекол — аморфных материалов, не обладающих упорядоченной кристаллической структурой — пластические деформации за счет текучести тоже возможны, но при этом не происходит образования дефектов структуры: частицы материала просто начинают перестраиваться внутри материала. При этом аморфные твердые материалы (как керамические, так и, например, аморфные металлы) от сильного удара могут просто разбиться и рассыпаться на отдельные кусочки.
Материаловеды из США и Франции под руководством Андреа Лю (Andrea J. Liu) из Университета Пенсильвании проверили, что именно происходит со структурой стеклообразного материала при пластической деформации: в каких местах деформация начинается и что происходит со структурой при разбивании. Для этого ученые рассмотрели неупорядоченные системы в тот момент, когда из-за внешней силы структура только начинает перестраиваться. Центры этой перестройки в этот момент совсем маленькие и равномерно распределены по всему объему системы. В своей работе ученые рассмотрели данные для очень большого количества твердых аморфных систем, полученные как экспериментально, так и с помощью компьютерного моделирования. Среди исследованных систем были аморфный углерод, оксид кремния, металлические и органические стекла, а также массивы пузырьков, водные пены и гранулярные системы (такие как камни на дне реки), так что размер некоторых из таких систем отличался на 7 порядков, а механическая прочность — сразу на 13 порядков.
Взаимодействия между отдельными частицами или атомами в таких системах имеют очень разную природу: в аморфных материалах это могут силы ковалентной или металлической связи, силы Ван-дер-Ваальса, а в более крупных системах — поверхностное натяжение, электростатические и гравитационные силы. Поэтому и причины возникновения центров переупорядочивания в них тоже разные. Оказалось, что несмотря на такое разнообразие возможных взаимодействий, механизм перегруппировки частиц при внешней нагрузке происходит примерно одинаковым образом.
Чтобы охарактеризовать эти эффекты количественно, для каждой из исследованных систем ученые сравнили предел упругости — напряжение, при котором стекло (или другая неупорядоченная система) начинается деформироваться пластически — с модулем Юнга — коэффициентом пропорциональности между напряжением и деформацией в упругой области.
По словам авторов работы, обнаруженные закономерности и модель, предложенная для их описания, поможет более точно предсказывать механические свойства стекол и получать более долговечные и более прочные аморфные твердые материалы.
В отличие от механизма пластичности аморфных тел, пластичность металлов изучена достаточно хорошо, в первую очередь экспериментально. Недавно распространение и рост дислокаций в тантале удалось детально смоделировать в явном виде на компьютере, расчет проводился с помощью метода молекулярной динамики на одном из наиболее мощных вычислительных центров.
Александр Дубов