A molecular dynamics study of nanocontact plasticity and dislocation avalanches in FCC and BCC crystals

Abstract

This study aims to investigate the underlying mechanisms which govern the development of dense defect networks in nanoscale crystal plasticity, either under contact and uniaxial loading conditions, with emphasis on the onset of intermittent avalanche phenomena. The investigation is based on a comprehensive set of massive molecular dynamics (MD) simulations performed with embedded-atom method potentials in face-centered cubic (FCC) and body-centered cubic (BCC) crystals. The first part of the thesis concerns the combined role of elasticity and plasticity in nanocontact loadings, where attention is given to the mechanisms leading to the formation of a permanent nanoimprint as well as to the onset of material pile-up at the contact vicinity. It is found that the topographical arrangement of the slip traces emitted at the surface into specific deformation patterns is a distinctive feature of the underlying dislocation glide and twinning processes occurring in FCC and BCC crystals as a function of temperature and surface orientation. A mechanistic analysis is made on the influence of the defect nucleation events in conjunction with the development of entangled defect networks upon the material hardness and its evolution towards a plateau level with increasing indenter-tip penetration. Complementary MD simulations of the uniaxial stress-strain curve of the plastically deformed region are carried out with the purpose of establishing a direct correlation between nanoscale material responses attaining under uniaxial and contact loading conditions. The results of this comparison illustrate on the key role played by defect nucleation processes on the formation of permanent nanoimprints, which differs from the conventional view in that in micro and macroscopic scales imprint formation is essentially governed by the evolutionary character of a preexisting (entangled) defect network: the greater the dislocation density, the larger the measured hardness. In overall, this work provides a fundamental insight into the understanding of why BCC surfaces are harder than FCC surfaces at the nanoscale. A statistical physics background is devised to investigate the influence of the dislocation mechanisms on the onset of avalanche events that are inherent to crystal plasticity. The analysis is predicated upon the notion in that the size distribution of such avalanches follows power-law scaling. To investigate the avalanche size distributions in cubic crystals, a group of novel MD simulations are performed where the computational cells containing a periodic arrangement of a preexisting dislocation network are subjected to uniaxial straining under displacement control at different strain rates and temperatures. Under sufficiently slow driving, the dislocation networks evolve through the emission of dislocation avalanches which do not overlap in time. This illustrates that the mobilized entangled dislocation arrangements exhibit quiescent periods during each plastic (dissipative) event, enabling comparison with experimental results which are also performed under strict displacement controlled conditions. The results illustrate on the attainment of a transitional slip size separating two power-law avalanche regimes as a function of the fundamental dislocation glide processes at the crossroads of self-organized and tuned criticality models. Detailed analyses of the MD simulations furnish specific mechanisms characterizing dislocation avalanche emission and propagation in FCC and BCC metals throughout a wide temperature range, which is central in supporting the onset of the aforementioned two power-law regimes.

En este estudio se investigan los mecanismos fundamentales para el desarrollo de las densas redes de defectos que se producen durante la deformación plástica de metales mediante ensayos uniaxiales y de indentación en escalas nanométricas. Estos procesos de deformación plástica se caracterizan por la producción de eventos intermitentes o avalanchas de dislocaciones. La investigación se basa en un extenso grupo de simulaciones de dinámica molecular en las que se emplean potenciales interatómicos del tipo embedded-atom method en cristales cúbicos centrados en las caras (CCC) y cúbicos centrados en el cuerpo (CC). La primera parte de esta tesis discute el papel combinado de la elasticidad y plasticidad en los nanocontactos. Se presta una especial atención a los mecanismos que llevan a la formación de nanohuellas plásticas así como al desarrollo de apilamiento de material alrededor del nanocontacto. Se encuentra que los arreglos topográficos de trazas de deslizamiento (emitidas a la superficie) muestran patrones específicos de deformación, los cuales son a su vez un rasgo distintivo de los mecanismos de deslizamiento de dislocaciones y procesos de nanomaclado que ocurren en los materiales CCC y CC en función de la temperatura y la orientación de la superficie. Se presenta un estudio mecanístico sobre la influencia de los eventos de nucleación de defectos, que llevan al desarrollo de una compleja red de defectos, sobre la nanodureza y su convergencia hacia un valor relativamente constante a medida que el indentador penetra en la superficie La modelización del comportamiento uniaxial de la zona deformada debajo de las nanoindentaciones permite la correlación entre ambos tipos de ensayos. Los resultados de esta comparación ilustran el importante papel que juegan los procesos de nucleación de dislocaciones sobre la formación de nanohuellas plásticas, lo que difiere (en términos mecanísticos) del comportamiento plástico convencional encontrado en escales micro y macroscópicas, donde el carácter evolutivo de una red de defectos preexistente gobierna la formación de huella, cumpliéndose así que cuanto mayor es la densidad de defectos, mayores son también las macro y microdurezas. En general, este trabajo aporta un trasfondo fundamental para comprender la razón por la que las superficies CC son más duras que las CCC en la nano escala. En la última parte de esta investigación se utilizan modelos de física estadística para investigar la influencia de los mecanismos de propagación de dislocaciones sobre la emisión de avalanchas plásticas. El análisis se basa en la noción de que la distribución del tamaño de las avalanchas sigue una ley potencial universal. Para investigar esta distribución en cristales cúbicos, se realizan un grupo de simulaciones novedosas donde las celdas computaciones, que contienen arreglos periódicos de las redes de dislocaciones, son sometidas a cargas uniaxiales a diferentes temperaturas y velocidades de deformación. A velocidades de deformación suficientemente lentas, las redes de dislocaciones evolucionan a través de la emisión de avalanchas que no se sobreponen en el tiempo, lo que ilustra que la movilización de las redes ocurre de tal manera que se garantiza una alternancia entre periodos de inactividad y cada evento plástico. La comparación entre resultados experimentales y computacionales lleva a encontrar la existencia de una magnitud de deslizamiento crítico que separa a dos regímenes de avalanchas cuya distribución de tamaños obedece leyes potenciales. Este resultado demuestra que los procesos de avalanchas son claramente dependientes de los mecanismos de deslizamiento e interacción de dislocaciones presentes en el material; aspecto que describe la transición entre el modelo de criticalidad gobernada por la tensión y el de criticalidad auto-organizada. Las simulaciones muestran los mecanismos específicos que caracterizan la emisión y propagación de avalanchas en metales CC y CCC en un amplio rango de temperatura, lo que es de gran importancia para justificar la utilización de estos modelos de criticalidad.