Simulation of Atomic Mechanisms of Nucleation and Development of Plastic Deformation under Conditions of Shear Loading

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction Methods of surface treatment of materials are one of the effective ways to improve its performance characteristics. One of the methods for finishing the surfaces of parts is the method of surface plastic deformation (nanostructuring burnishing), at which a layer with a nanocrystalline structure is formed. The study of the structural changes that occur directly in such burnishing process is extremely difficult. In this regard, numerical simulation methods can be an important addition to experimental studies. The purpose of the work is a numerical study of the mechanical response of a metal sample in a mono and nanoscale polycrystalline state to shear loading. In this paper, atomic mechanisms of nucleation and development of plastic deformation in a crystalline material under conditions of loading identical to local stresses arising during the processing of a material by surface plastic deformation are investigated. The methods of investigation. The research is carried out within the framework of high-performance parallel computations using the molecular dynamics method. The monocrystalline and polycrystalline body-centered cubic iron were chosen as the subject of research. Results and Discussion. The results of the studies show that under conditions of local shear loading in an initially defect-free α-iron crystal, it is possible to form a system of mutually intersecting dislocations, which subsequently leads to misorientation of individual parts of the crystallite and the formation of a nanofragmented structure of the surface layer. On the other hand, simulation data show that a shear in a nanoscale polycrystal is realized by the means of two competing mechanisms: grain boundary slip on one side and the process of recrystallization of individual grains on the other. With the growth of grains to dimensions comparable with the size of the crystallite under study, the deformation in it begins to develop mainly due to the formation of structure defects, just as it occurs in a single crystal. Thus, the grain sizes and the orientation of its crystal lattice in relation to the direction of the external load determine the type of plastic deformation mechanisms of the surface material being realized. The obtained results can be used for a better understanding of the laws of processes and mechanisms realized in the surface layer of the material under surface plastic deformation conditions.

About the authors

A. Yu. Nikonov

Email: anickonoff@ispms.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics); Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, 2/4 Prospect Akademicheskiy, Tomsk, 634055, Russian Federation; anickonoff@ispms.ru

References

  1. Scale invariance of structural transformations in plastically deformed nanostructured solids / V.E. Panin, A.V. Panin, Yu.I. Pochivalov, T.F. Elsukova, A.R. Shugurov // Physical Mesomechanics. – 2017. – Vol. 20, iss. 1. – P. 55–68. – doi: 10.1134/S1029959917010052.
  2. Oláh A., Croitoru C., Tierean M.H. Surface properties tuning of welding electrode-deposited hardfacings by laser heat treatment // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 438. – P. 41–50. – doi: 10.1016/j.apsusc.2017.10.090.
  3. Chemical treatment on aluminum alloy for hydrophobic surfaces / P. Sooksaen, O. Chulasinont, P. Janmat, W. Thovasakul // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4, iss. 5 (2). – P. 6528–6533. – doi: 10.1016/j.matpr.2017.06.163.
  4. Влияние основных параметров процесса сварки трением с перемешиванием на дефектность структуры сварного соединения / О.В. Сизова, А.В. Колубаев, Е.А. Колубаев, А.А. Заикина, В.Е. Рубцов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 4 (77). – С. 19–29. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-4-19-29.
  5. Cold hole expansion effect on the fatigue crack growth in welds of a 6061-T6 aluminum alloy / K.C. Viveros, R.R. Ambriz, A. Amrouche, A. Talha, C. García, D. Jaramillo // Journal of Materials Processing Technology. – 2014. – Vol. 214, iss. 11. – P. 2606–2616. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.05.030.
  6. Reduction of the residual stresses in cold expanded thick-walled cylinders by plastic compression / V.F. Skvortsov, A.O. Boznak, A.B. Kim, A.Yu. Arlyapov, A.I. Dmitriev // Defence Technology. – 2016. – Vol. 12, iss. 6. – P. 473–479. – doi: 10.1016/j.dt.2016.08.002.
  7. Nikonov A.Y., Konovalenko I.S., Dmitriev A.I. Molecular dynamics study of lattice rearrangement under mechanically activated diffusion // Physical Mesomechanics. – 2016. – Vol. 19, iss. 1. – P. 77–85. – doi: 10.1134/S1029959916010082.
  8. Kuznetsov V.P., Tarasov S.Yu., Dmitriev A.I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability  // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 217. – P. 327–335. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.023.
  9. Toward control of subsurface strain accumulation in nanostructuring burnishing on thermostrengthened steel / V.P. Kuznetsov, I.Y. Smolin, A.I. Dmitriev, S.Yu. Tarasov, V.G. Gorgots // Surface & Coatings Technology. – 2016. – Vol. 285. – P. 171–178. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.045.
  10. Modeling of nanostructuring burnishing on different scales / A.I. Dmitriev, V.P. Kuznetsov, A.Yu. Nikonov, I.Yu. Smolin // Physical Mesomechanics. – 2014. – Vol. 17, iss. 4. – P. 243–249. – doi: 10.1134/S1029959914040018.
  11. Swirad S. The surface texture analysis after sliding burnishing with cylindrical elements // Wear. – 2011. – Vol. 271, iss. 3–4. – P. 576–581. – doi: 10.1016/j.wear.2010.05.005.
  12. Grzesik W., Zak K. Modification of surface finish produced by hard turning using superfinishing and burnishing operations // Journal of Materials Processing Technology. – 2012. – Vol. 212, iss. 1. – P. 315–322. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.09.017.
  13. Österle W., Dmitriev A.I., Kloß H. Does ultra-mild wear play any role for dry friction applications, such as automotive braking? // Faraday Discussions. – 2012. – Vol. 156. – P. 159–171. – doi: 10.1039/C2FD00117A.
  14. Exploring the beneficial role of tribofilms formed from an epoxy-based hybrid nanocomposite / W. Österle, A.I. Dmitriev, T. Gradt, I. Häusler, B. Hammouri, P.I. Morales Guzman, B. Wetzel, D. Yigit, G. Zhang // Tribology International. – 2015. – Vol. 88. – P. 126–134. – doi: 10.1016/j.triboint.2015.03.006.
  15. Li J., Chen S., Weng G.J. Significantly enhanced crack blunting by nanograin rotation in nanocrystalline materials // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 151. – P. 19–23. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2018.03.030.
  16. Dynamic deformation and failure of ultrafine-grained titanium / Z. Li, B. Wang, S. Zhao, R.Z. Valiev, K.S. Vecchio, M.A. Meyers // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 125. – P. 210–218. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.11.041.
  17. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // Journal of Computational Physics. – 1995. – Vol. 117. – P. 1–19. – doi: 10.1006/jcph.1995.1039.
  18. Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Österle W. Molecular dynamics sliding simulations of amorphous Ni, Ni-P and nanocrystalline Ni ?lms // Computational Materials Science. – 2017. – Vol. 129. – P. 231–238. – doi: 10.1016/j.commatsci.2016.12.039.
  19. Development of new interatomic potentials appropriate for crystalline and liquid iron / M.I. Mendelev, S. Han, D.J. Srolovitz, G.J. Ackland, D.Y. Sun, M. Asta // Philosophical Magazine. – 2003. – Vol. 83. – P. 3977–3994. – doi: 10.1080/14786430310001613264.
  20. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the Open Visualization Tool // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2010. – Vol. 18, iss. 1. – P. 15012. – doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  21. Honeycutt J.D., Andersen H.C. Molecular dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters // The Journal of Physical Chemistry. – 1987. – Vol. 91, iss. 19. – P. 4950–4963. – doi: 10.1021/j100303a014.
  22. Stukowski A., Bulatov V.V., Arsenlis A. Automated identification and indexing of dislocations in crystal interfaces // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2012. – Vol. 20, iss. 8. – P. 085007. – doi: 10.1088/0965-0393/20/8/085007.
  23. Dmitriev A.I., , Nikonov A.Yu., Psakhie S.G. Atomistic mechanism of grain boundary sliding with the example of a large-angle boundary Sigma=5. Molecular dynamics calculation // Physical Mesomechanics. – 2011. – Vol. 14, iss. 1–2. – P. 24–31. – doi: 10.1016/j.physme.2011.04.004.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».