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Modelagem computacional Modelagem computacional multiescala aplicada à ciência multiescala aplicada à ciência
dos materiaisdos materiais
Roberto Gomes de Aguiar [email protected]
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de MateriaisEscola Politécnica da Universidade de São Paulo
São Paulo, 2015
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Ciência dos materiais:Ciência dos materiais:Novos materiais vs. materiais clássicosNovos materiais vs. materiais clássicos
Novos materiais
Boa parte surgida nas últimas três décadas
Nanotubos de carbonoGrafenoIsolantes topológicosEstruturas auto-organizadas
Propriedades diferenciadas → aplicações promissoras → spintrônica, supercondutividade, armazenamento de hidrogênio, computação quântica, etc
Como tudo que é novo e promissor → Todo mundo quer trabalhar nisso!
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Ciência dos mteriais:Ciência dos mteriais:Novos materiais vs. materiais clássicosNovos materiais vs. materiais clássicos
Materiais clássicos
Materiais conhecidos há muito tempo (alguns desde a Pré-História!)
Metais e suas ligasCerâmicosPolímerosCompósitos
Largamente utilizados em aplicações do dia a dia → importância econômica difícil de ser mensurada
Há muito tempo estudados, teórica e experimentalmente...
... mas ainda com muitas questões em aberto!
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Metais e suas ligas:Metais e suas ligas:ImportânciaImportância
Onipresentes → utilização se confunde com a história da civilização
Propriedades mecânicas variadas → diferentes aplicações
DúcteisMaleáveisDurosResistentes
Aspectos econômicos → mineração, indústria de transformação (e.g., siderurgia), indústria de bens de consumo (e.g., automobilística) → bilhões de dólares e milhões de empregos
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Modelagem computacional de materiais:Modelagem computacional de materiais:O problema do tamanhoO problema do tamanho
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Modelagem computacional de materiais:Modelagem computacional de materiais:O problema adicional do tempoO problema adicional do tempo
Transferência de próton em meio aquoso
Difusão no estado sólido
Dobramento de proteínasPropagação de uma trinca numa liga metálica
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Modelagem computacional multiescala:Modelagem computacional multiescala: Aplicação à ciência dos materiaisAplicação à ciência dos materiais
Métodos de nível mais baixo → informações para métodos de níveis mais altos... ou vice-versa
“Pontes” entre as diferentes escalas → não necessariamente trivial
Métodos apropriados para a escala de tempo e espaço
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Modelagem computacional multiescala:Modelagem computacional multiescala:InterdisciplinaridadeInterdisciplinaridade
+=
+ + ...
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Alguns resultados...Alguns resultados...
1) Atmosferas de Cottrell
2) Crescimento de grãos nanométricos
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Atmosferas de Cottrell:Atmosferas de Cottrell:Teoria do envelhecimento estáticoTeoria do envelhecimento estático
Sir Alan Cottrell(1919-2012)
Interação entre defeitos pontuais e discordâncias → segregação nas discordâncias → atmosferas e Cottrell
1949, com Bilby → Modelo atômico para descrever o endurecimento do ferro à medida que o tempo passa
Ancoramento da discordância → Efeito macroscópico → Limite máximo de escoamento e instabilidades plásticas (bandas de Luders)
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Atmosferas de Cottrell:Atmosferas de Cottrell:Monte CarloMonte Carlo
Discordância tipo “hélice”Vários teores de carbono → de 20 a 500 ppmMetropolis Monte Carlo → formação das atmosferas de Cottell
T = 300 KConfiguração inicial → átomos de carbono distribuídos aleatoriamenteResultado → segregação ao redor da discordânciaCoordenadas para simulações de dinâmica molecular
20 ppm 140 ppm 500 ppm
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Atmosferas de Cottrell:Atmosferas de Cottrell:Dinâmica molecular (protocolo de simulação)Dinâmica molecular (protocolo de simulação)
Fixo
σyz
Código → LAMMPS
Tempo de simulação → 6 ns
T=300 K
Cisalhamento → átomos na superfície superior movendo-se com velocidade constante na direção do vetor de Burgers
σyz
(t) → Ftop
/Atop
Taxa de deformação → 107/s
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Atmosferas de Cottrell:Atmosferas de Cottrell:Efeito do carbono na movimentação da discordânciaEfeito do carbono na movimentação da discordância
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Atmosferas de Cottrell:Atmosferas de Cottrell:Conclusões e próximas investidasConclusões e próximas investidas
Conclusões:
Com simulações atomísticas acoplando MC e DM, é possível “testar” o modelo consagrado de Cottrell para o envelhecimento estático dos aços
O que vem a seguir:
Considerar outros tipos de soluto (H, He, Ni já está em curso)
Efeito de nanoprecipitados (e.g., de cobre ou cromo)
Estudar também uma discordância “cunha”
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:O problema e a possível soluçãoO problema e a possível solução
Materiais nanocristalinos → Muitos átomos em contornos de grãos (sítios de alta energia) → “Driving force” para crescimento rápido de grãos mesmo a baixa temperatura
Estabilização da estrutura nanocristalina usando elementos de liga
Exemplo:
Evidência experimentar para um sistema Ni-W nanocristalino estável[Acta Materialia 55, 371 (2007)]
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:Monte CarloMonte Carlo
10% dos átomos de Ni substituídos aleatoriamente por átomos de elementos de liga (W, Ti, Co, Al, Pd e Mo)
T=350 K
Sítios bulk → cfc
Sítios CG → não-cfc
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:Monte CarloMonte Carlo
Quando MC converge
Aleatório Segregado
Exemplo → Ni-W
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:Monte CarloMonte Carlo
Exemplo → Ni-W
Dos resultados convergidos do MC → configurações iniciais para simulações de dinâmica molecular
Ni
W
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:Dinâmica molecularDinâmica molecular
DM → 5 ns, 1000K
Inicial Final
Níquel puro
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:Dinâmica molecularDinâmica molecular
MD → 5 ns, 1000K
Inicial Final
Ni-W
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Crescimento de grãos nanométricos:Crescimento de grãos nanométricos:Conclusões e próximas investidasConclusões e próximas investidas
Conclusões:
Co tem pouco efeito na estabilidade do Ni nanocristalino
Al, Pd, Ta e Ti aparentemente retardam o crescimento dos grãos no Ni nanocristalino
W e Mo aparentemente estabilizam o Ni nanocristalino
O que vem a seguir:
Simulações mais longas (até a casa dos 100 ns)
Testar outros materiais nanocristalinos (e.g., Cu, Fe, Al, etc)
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Projetos em curso:Projetos em curso:Plasticidade em materiais nanocristalinosPlasticidade em materiais nanocristalinos
12
3
4
1
3
4
3
4
3
4
σ
σ
“Experimentos” computacionais interessantes para estudar a deformação plástica em materiais nanocristalinos → ferramentas já implementadas no LAMMPS
Interesses:movimentação de discordânciasdeslizamento de grãosnucleação e propagação de trincas
(fratura dúctil e frágil, efeito da segregação de elementos de liga)
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Projetos em curso:Projetos em curso:Segregação em contornos de faseSegregação em contornos de fase
Difusão do carbono na ferrita e na austenita → Monte Carlo cinético
Partição do carbono entre as duas fases
Segregação do carbono → acúmulo no contorno de fase
Efeito do carbono (em solução sólida e segregado) no movimento da interface → dinâmica molecular
Ferrita Austenita
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Obrigado pela atenção!Por hoje é só :-)