MODELAREA BAZATA PE MIMICA CELULARA A MECANISMELOR DE NANOSTRUCTURARE

PRIN DEFORMARE PLASTICA SEVERA A MATERIALELOR CRISTALINE

Prezentare proiect

In contextul dezvoltarilor recente ale proceselor de deformare plastica severa, ce permit obtinerea pieselor sau a semifabricatelor cu proprietati mecanice superioare – rezistenta mare la uzura, ductilitate si magnetism, proiectul propune verificarea unei ipoteze, si anume aceea ca “mecanismele de deformare ce determina nanostructurarea la dimensiuni ale grauntilor sub 30 nm pot fi explicate prin similitudinea evolutiei liniilor de dislocatii si a limitelor de graunti cu evolutia geometrica a unor segmente din lanturile de proteine, si anume actinele”. Modelul matematic al deplasarii actinelor intr-o celula va fi utilizat in modelarea cu dinamica moleculara a unui grup de graunti supusi interactiunilor mecanice corespunzatoare unui proces de deformare plastica severa. In cele ce urmeaza se prezinta, intr-o maniera succinta, stadiul actual al relatiei dintre procesele de deformare plastica severa existente si explicatiile originii mecanismelor de deformare plastica ce stau la baza producerii nanostructurarii materialelor. Prezentarea include: i) Stadiul actual al cercetarilor si rezultatelor prezentate (in ultimii ani) in jurnale cu cel mai mare factor de impact in domeniul tematicii propuse [Science, factor de impact/2006 (FI) - 30,028; Nature Materials, FI - 19,194)] Mat. Sci. Eng. R-Rep (FI 10.52), Advanced Engineering Materials (FI 1,402), Physical Review Letters (FI 6.297), Journal of Computational and theoretical Nanoscience (FI 2.90), Journal of Nanoparticle Research (FI 2.156), precum si in rapoartele de cercetare ale unor laboratoare recunoscute la nivel mondial in domeniul propus – Laboratoire de metallurgie mecanique – Ecole Politechnique Federale de Lausanne, Elvetia, Department of Civil and Environmental Engineering, Massachusetts Institute of Technology, SUA, Laboratoire de Proprietes Mecanique et Thermodinamique – LPMTM-CNRS, Franta, The Institute of Physical and Chemical Research – RIKEN, Japonia, School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, China; ii) Sinteza cercetarilor preliminare intreprinse de echipa de cercetare a prezentului proiect, in vederea elaborarii ipotezei originale ce sta la baza dezvoltarii acestui proiect. i) Stadiul actual al cercetarilor si rezultatelor prezentate Prin utilizarea procedeelor de deformare plastica se pot obtine piese sau semifabricate avand structura granulara ultrafina (ultrafine grained metals) dar nu se pot obtine piese cu structuri nanocristaline in conditii normale. Noi descoperiri ale originii mecanismelor de deformare pot duce la trecerea acestei bariere si la obtinerea structurilor nanocristaline. Procesele de deformare plastica au ajuns la frontiera dintre tehnologiilor top-down (transformarea materialului) si bottom-up (sintetizarea materialului), care inseamna nanotehnologii. 1. Procesele de deformare plastica severa: Procesele de deformare plastica severa (eng. Severe Plastic Deformation processes - SPD), tabelul nr. 1, reprezinta urmatorul pas in realizarea nanostructurarii oricarui metal, si este o sarcina importanta deoarece, o diminuare a dimensiunilor grauntilor cristalini confera o combinatie paradoxala a caracteristicilor mecanice ce definesc comportarea mecanica, si anume elasticitate ridicata si ductilitate foarte buna, constatandu-se astfel proprietati precum superplasticitatea, magnetismul la materiale care in structura grosiera (coarse grain) nu prezinta astfel de proprietati. Tabelul 1 – Cateva dintre procesele de deformare plastica severa clasificate dupa schema de deformare si dimensiunea grauntilor ultrafini obtinuti in prezent

Pentru a controla aceste proprietati rezultate in timpul manufacturarii materialelor metalice, este necesara o descriere fundamentala a comportarii mecanice, in concordanta cu structura materialului. Relatia dintre comportarea mecanica si structura materialului este mecanismul de deformare ce implica subdivizarea retelei cristaline grosiere (coarse grains) in domenii mult mai mici (subgrains) prin diferite sisteme de forfecare si de rotatie a grauntilor [1]. Dintre procesele de deformare plastica severa care pot concura la realizarea de nanostructuri, extrudarea in canal unghiular (eng. Equal Channel Angular Pressing – ECAP) intruneste conditiile de viteza de deformare relativ constanta, unformitate a deformatiilor in toata masa materialului, precum si un grad de deformare controlat prin numarul de treceri al semifabricatului prin matrita. Nivelul de nanostructurare atins prin ECAP, pana in prezent, este de 50 nm. Daca mecanismului de deformare al materialului cu aceasta granulatie, supus in continuare procesului SPD, ar fi cunoscut, atunci s-ar putea controla paremetrii procesului, astfel incat sa se poate obtine granulatii mult mai mici (nanostructuri) [12]. Concluzia nr.1 – Procesele de deformare plastica severa pot conduce la formarea de graunti ultrafini si chiar nanostructuri cristaline in conditii de presiune ridicata si deformatii plastice mari. Dintre procesele SPD existente, procesul ECAP este selectat pentru a fi testat in vederea obtinerii de semifabricate sau piese volumice nanostructurate cu proprietati imbunatatite. In plus, ECAP fiind primul procedeu SPD conceput si realizat [Valiev, 1977] au putut fi realizate modele numerice ale simularii acestui procedeu, care au fost validate experimental [Rosochowski, 2006, 2007] si este cunoscuta influenta parametrilor de control ai procesului de deformare (viteza, presiune, unghi de extrudare, numar de treceri) asupra marimii grauntilor obtinuti. 2. Fizica mecanismului de deformare (modelare fizica). Ipoteze. Procedeele SPD prezentate in tabelul 1 produc structuri cu graunti ultrafini plasati in regiunile I si II din figura 1. Regiunea I corespunde, ca si incadrare a dimensiunilor grauntilor obtinuti, proceselor de deformare plastica conventionale, unde mecanismul de deformare este explicat, in principal, pe baza miscarii dislocatiilor generade de sursele Frank-Read, pana la aparitia ecruisarii. Relatiile dintre comportarea mecanica si marimea grauntilor sunt cunsocute sub numele de legi constitutive ale materialului [19]. Prin identificarea coeficientilor acestor legi (Lemaitre-Chaboche, Swift, Voce, Teodosiu-Hu) se obtine caracterizarea comportarii materialului ce permite simularea numerica cu precizie ridicata a solicitarii materialelor si a reactiei acestora la solicitari [10’]. Regiunea I include bine-cunoscutul efect Hall-Petch al marimii grauntilor (dg), conform caruia dimensiuni reduse ale grauntilor determina cresterea limitei de curgere. Regiunea II, care se refera la graunti avand marimi ce pornesc de la ~1 micron si scad pana la ~20 nm, include fenomene precum localizarea forfecarii, rezistenta redusa si deformabilitatea crescuta. Regiunea III, cea a grauntilor cu marimi sub 20nm, prezinta un efect Hall-Petch invers, adica limita de curgere scade proportional cu marimea grauntilor, iar deformatiile se produc predominant datorita activitatii de la frontiera grauntilor. In final, in regiunea IV sunt metalele cu structura amorfa care nu prezinta fenomene de ecruisare si sunt, in general materiale fragile in concordanta cu predictia efectul Hall-Petch [20]. Aceasta regiune corespunde

materialelor nanostructurate formate din nanocristale. Studiul structurilor nanocristaline suscita interes cercetatorilor deoarece relatia Hall-Petch, atunci cand este extrapolata la dimensiuni foarte mici ale grauntilor, prezice existenta unor metale foarte dure. Oricum, observatiile experimentale au sugerat ca relatia Hall-Petch, aparent, esueaza in caracterizarea cu precizie a regiunii IV; unde mecanismul de deformare plastica este controlat de comportarea plastica a frontierelor grauntilor, dar carei descriere cantitativa este inca controversata [l-5].

Fig. 1. Clasificarea metalelor policristaline in concordanta cu marimea grauntilor dg [12]

Concluzia nr. 2 – Mecanismul de deformare din Regiunile III si IV nu sunt complet explicate in zilele noastre. Cercetarile recente subliniaza existenta unor fenomene complexe ce actioneaza simultan la nanostructurarea metalelor la dimeniuni ale grauntilor sub 20 nm si ale caror explicatii pot fi date cu ajutorul analizei stohastice (modelare dinamica). 3. Particularitati ale mecanismului de deformare in regiunile III si IV: Mecanismul de deformare bazat pe deplasarea dislocatiilor – In structurile macroscopice de materiale policristaline, plasticitatea este cauzata de dislocatii generate de sursele de dislocatii existente intre graunti. Aceste dislocatii se propaga, interactioneaza cu structurile pre-existente si, de asemenea, intre ele, astfel incat o parte dintre acestea se anihileaza reciproc. Pe baza conceptului de dislocatii suprapuse la frontierele grauntilor, relatia Hall-Petch face predictia unei cresteri a valorii intiale a limitei de curgere σo (de asemenea, si a rezistentei la rupere si a duritatii) la descresterea marimii grauntilor dg (σi este o tensiune de frecare ce se opune miscarii dislocatiilor, iar k este o constanta). σo=σi+k / dg (1). Relatie (1) isi pierde valabilitatea pentru marimi ale grauntilor mai mici de 10-30 nm [7], cand mecanismul de deformare este bazat pe dislocatii partiale compuse din maclari si alunecari ale frontierelor grauntilor la interfetele dintre acestia. Maclarea devine modul predominant de deformare, de exemplu in cazul aluminiului la dimensiuni ale grauntilor de ordinul 30 nm. Acest lucru este in acord cu observatiile HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) ale maclelor de deformare la o dimeniune a grauntelui intre 10 si 20 nm realizate prin tractiune in-situ de H. Van Swygenhoven, 2006. Modelul ofera, de asemenea, o explicatie fizica a dislocatiilor partiale, care rezulta din formarea unei aglomerari de defecte (eng. stacking faults) si a maclelor din grauntii nanocristalini, asa cum a fost observat in cadrul simularilor cundinamica moleculara realizate in lucrarile [7,9,10, 12, 24]. Aceste simulari au pus in evidenta ca alunecarea la frontierele dintre graunti, densitatea dislocatiilor si difuzia atomica la nivelul frontierelor dintre graunti devin componentele principale in mecanismele de deformare ale structurilor cu graunti de dimensiuni mai mici de 5 nm. Cu toate ca aceste componente sunt cunoscute, totusi, la aceasta scara, nu se cunoaste cu certitudine toate componentele mecanismului de deformare. Observatiile experimentale in-situ sunt aproape imposibil de realizat prin analiza TEM (Transmission Electrone Microscopy) sau HRTEM, de aceea fost considerata analiza stohastica, utilizand modelarea cu metoda dinamicii moleculare, ca o alternativa viabila in identificarea unor componente suplimentare ce guverneaza mecanismele de deformare [5, 14, 23]. La aceasta scara, deoarece grauntii sunt de dimensiuni foarte mici, nu se pot genera dislocatii, sursele Frank-Read sunt de lungimi mai mari decat grauntii ceea ce fac imposibila formarea acestora, si, in plus, formarea dislocatiilor este foarte costisitoare din punct de vedere energetic. Aceste observatii duc la concluzia ca mecanismul de deformare la aceasta scara este bazat partial pe dislocatiile rezisuuale din graunti.

IV

Coarse-grained metals

Traditional mechanisms of plastic deformation

Dislocation-mediated plasticity

Ultrafine-grained metals

New deformation mechanisms

Nanocrystalline metals (Nanometals)

20 -30 nm 1000 nm

dg

Fig. 2 Mecanisme de deformare puse in evidenta de experimentele din regiunile III-IV din fig. 1 A - [Shan, 2004] Microstructura unui aluminiu nanocrsitalin vazuta la analiza TEM; se pot observa grauntii nanocristalini cu marimi intre 10-35 nm. Nu se observa dilocatii sau macle. B - [Chen, 2003] Imaginea TEM a maclelor in jurul unei pete de indentare in aluminiul nanocrsitalin. Pata are forma de romb. C - [Chen, 2003] Imaginea HTEM aratand o macla din (B) cu frontiere paralele. Imaginea cu rezolutie atomica ilustreaza existenta unei macle simetrice, deci mecanismul de deformare este maclarea (lungimea paretelui de maclare este de ordinul marimii grauntelui 35 nm. D- [Shan 2004] – Imaginea HRTEM unei suprafete subtiri deformata superficial (zona indentata) in care se observa o dislocatie (reprezentata cu T de culoare alba) care intra intr-un graunte aflat in vecinatatea frontierei alyui graunte (reprezentata prin liniile negre punctate); Analiza Fourier inversa a zonei marcate cu patratul cu contur alb arata dislocatiile cu claritate foarte mare (sageata neagra). Concluzia nr. 3 – Principalul actor in mecanismul de deformare la nivel nanoscalar (sub 8-5nm) este reprezentat de fenomenele ce apar la interfata dintre frontierele grauntilor ce sunt formate din atomi. La aceasta scara, nanostructura este cvasi-amorfa, ce sugereaza manifestarea unor fenomene de entropie elastica (tendinta nanostructurii de a reveni la o stare entropica mare – masura a dezordinei) si de difuzie. Aceste proprietati sunt caracteristicile cauciucului sau materialelor hiperelastice (tesuturile umane formate din tropocolagen). Modul in care atomii fiecarei frontiere comunica cu alti atomi apartinand altor frontiere, este bazat, probabil, pe mecansime fundamentale comune cu cele ale materialelor naturale. 4. Incercari de modelare a mecanismelor de nanostructurare: Pentru studierea la scara atomica a proceselor ce se desfasoara in timpul deformarii plastice a agregatelor policristaline de graunti nanocristalini, s-au folosit simulari bazate pe dinamica moleculara (MD). Ele indica faptul ca metalele nanocristaline reactioneaza la aplicarea solicitarilor externe prin alunecari la nivelul frontierelor grauntilor, care generarea dizlocatii partiale ce traverseaza grauntii. Aceste procese dinamice la scara atomica ar fi practic imposibil de vizualizat prin microscopie electronica datorita instantaneitatii producerii lor. O masura indirecta a acestor fenomene obtinua prin difractie se realizeaza prin inregistrarea marimii varfurilor de difractie (peak broadening) iar acutizarea acestora, ca rezultat al deformatiei plastice, este un indiciu al rearanjarilor structurale de la limita grauntilor. [Buehler, 2005] a pus in evidenta, pentru prima data, faptul ca utilizand dinamica moleculara aplicata la simularea ecruisarii unei structuri cristaline, dislocatiile prezinta trei mecanisme fundamentale la aceasta scara, si anume: (1) dislocatii de separare, dislocatii bazate pe salturi energetice ale atomilor si generarea unor urme ale defectelor punctiforme, precum urma de condensare din camera Wilson. Explicatia este ca un defect punctiform perturbeaza campul elastic si produce aceasta “urma” la deplasarea acestuia. Aceasta categorie de defecte reprezina descoperirea unei noi clase de defecte punctiforme si care poate juca un rol important in situatia in care dislocatiile partiale domina plasticitatea [Buehler, 2005]; (2) activarea sistemelor secundare de alunecare prin sursele Frank-Read si mecanismele de alunecare transversala (cross-slip systems); aceasta fiind o noua descoperire caci, in ciuda faptului ca se presupunea ca sursele Frank-Read nu mai actioneaza la scara nano, acestea lipsind in mesostructuri, dar aparand din nou la nanostructuri, si (3) formarea dislocatiilor imobile (eng. sessile dislocations) cum ar fi blocajele Lomer –Cottrell (figura 3). In simularea MD au fost utilizati 500 milioane de atomi intr-un sistem apartinand (Cu) solid care este un material ductil.

Figura 3 [5] – Schema diferitelor mecanisme de deformare. (a) se arata cum doua dislocatii se intersecteaza, ambele dislocatii parasesc urma defectelor punctiforme dupa intersectie (cercurile galbene). Sageata albastra indica vectorul viteza al dislocatiilor. (b) se arata dislocatiile partiale intersectand zona aglomerarilor de defecte (stacking fault- zona

bleu) apartinand unei alte dislocatii partiale. Dislocatia nr. 1 paraseste traiectoria defectelor punctiforme (cercurile galbene) odata ce loveste zona de aglomerare a defectelor generata de dislocatia nr. 2. Figurile (c)–(e) arata rezultatul aranjarii atomilor in diferitele tipuri de defecte punctiforme (c) urme ale defectelor punctiforme partiale, (d) tubul de

vacante, si (e) canale interstitiale.

Fig. 4 [5]– Generarea urmelor defectelor punctiforme in fiecare stadiu al simularii. Dislocatiile nr. 1 si nr. 2 parasesc o zona de aglomerare a dislocatiilor plane, care este in continuare intersectata de dislocatia nr. 3. Totusi, sunt generate doua urme ale dislocatiilor punctiforme partiale rezultand curbarea dislocatiei numarul 3 (vezi mecanismul prezentat in Fig. 3(b)). (a) este reprezentarea analizei centrosimetrice [25] in care planele de aglomerare a defectelor sunt marcate cu galben, iar (b) arata o analiza energetica a aceleiasi regiuni unde planele de aglomerare nu sunt aratate. Imaginile (c) arata reactia a doi nori

de dilocatii pozitionate in partea opusa formarii unei fisuri cauzand numeroase defecte punctiforme. Datorita orientarii dislocatiilor, cand norii de dislocatii intalnesc un front de amorsa de fisura drept, reactiile sunt similare cu acelea observate in stadiul precedent cand dislocatiile aceluiasi nor taie alt plan de aglomerare a dislocatiilor si astfel, sunt generate urmele defectelor punctuale partiale (reprezentate cu albastru in fig. 4). Tuburile vacantelor complete [20,21] nu sunt generate decat in ultimul stadiu al simularii, cand densitatea dilocatiilor devine foarte mare si se activeaza cel de-al doilea sistem de alunecare, prin intersectia dintre o dislocatie elicoidala si o dislocatie dreapta (sessile), dislocatia elicoidala incercand sa ocoleasca dislocatia dreapta printr-un by-pass printr-un mecanism de alunecare transversala (cross-slip) si prin modificarea formei acesteia, ingloband dislocatia drepata si formand o dislocatie imobila (sessile), figura 5. Energia dislocatiei eliciodale face ca aceasta sa gaseasca o solutie sa evite un obstacol, este un fenomen natural care se intampla in celulele vii. Pe de alta parte, aceasta comportare este similara surselor Frank-Read in structurile grosiere, desi aceasta explicatia reaparitiei acestora la scara nanometrica.

Figura 5 – Ilustrarea etapelor prin care se activeaza sistemul de alunecare secundar, prin by-pass-ul pe care

o dislocatie elicoidata intersecteaza o dislocatie imobila (segmentul scurt si rectiliniu) Concluzia nr. 4 – Descoperirea unui nou mecanism de deformare ce actioneaza la dimensiuni ale grauntilor sub 8 nm, explica si auto-organizarea structurii la nivel nanometric, caracteristica specifica nanometalelor. Urmele defectelor punctiforme arata ca niste lanturi de moclecule ce sunt conectate prin punti de dimeniune mica. Aceste urme sub forma unor canale sunt liniare pana cand concentratia vacantelor creste foarte mult, fenomen ce apare la cresterea presiunii de deformare. In aceasta stare, aceste tuburi devin pliate si rasucite. Concluzia nr. 5 – Un nou tip de defect a fost pus in evidenta, si anume, urma defectelor punctiforme avand o structura cu dipoli ce determina o forta de tragere si determina miscarea tubului de vacanta. Este o asemanare izbitoare intre acest mecanism de miscare a tuburilor de vacante si polimerizarea actinelor din lanturile de proteine existente intr-o celula vie. Proteina, in particular actina filamentara ce intra in componenta proteinei, se deplaseaza prin crearea unor forte de tragere intre cei doi dipoli ai sai, determinand evolutia lantului proteic. Aceasta observatii sunt bazate pe comparatia intuitiva a mecanismelor de deformare la materialele cristaline, pe de o parte, si studiului modelarii cu dinamica moleculara a lanturilor de actine din proteine realizat in cadrul Departamentului de Mecanica Aplicata, University of Kyoto, colectiv condus de Dr. Adachi, Japonia, pe de alta parte, figura 6.

a) b) Migrarea celulei prin reconstructia citoskeletonului Reprezentarea dilocatiilor sessile intre doi la polimerizarea filamentelor de actina (bleu) graunti cristalini (roz) [E.Yamaoka,T,Adachi, RIKEN Symposium 2007] [Y.Wang, J. Li, A. V. Hamza, T. W. Barbee, Apl. Ph. Sci.2007] Figura 6 – Reprezentarea rezultatelor simularii cu dinamica moleculara a a) filamentelor de actina din celula vie si a b)

dislocatiilor imobile la deformarea cuprului cu grad mare de deformare si presiune mare. 5. Ipoteza propusa de echipa de cercetare in explicarea mecanismelor de deformare la nivel nano: Din analiza constructiva a stadiului actual prezentat pe scurt la punctele 1,2,3 si 4 si, pe baza concluziilor 1,2,3,4 si 5, la care se adauga conclusiile prezentate de Dr. Markus Buehler [MIT, SUA] in raportul din

2006 intitulat “Large-scale hierarchical molecular modeling of nanostructured biological materials”, in care sunt prezentate noutati absolute privind compararea mecanismelor de deformare la diferite materiale supuse deformatiilor mari (tropocolagent – proteine, Cu, cauciuc), punand accent pe importanta contributiilor entropiei la plasticitate, legaturi fizice si chimice ce sunt plasate la diferite scari de timp si spatiu (nano-meso-macro), echipa prezentului proiect elaboreaza urmatoarea ipoteza originala: Mecanismul de deformare ce guverneaza nanostructurarea materialelor cristaline in domeniul dimensiunilor de graunti sub 20 nm, poate fi modelat utilizand mecanica mediului continuu prin mimarea evolutiei lanturilor de proteine dintr-o celula vie. Forma tuburilor de vacante ce sunt canale de perturbatie a defectelor punctiforme in nanocristal, evolueaza in anumite stadii ale deformatiilor ca si lanturile de actina prin pliere-depliere, determinand cresterea capacitatii ductile a materialelor la aceasta scara, fara a aparea ecruisarea. Aceasta este superplasticitatea care a fost observata in testele mecanice de deformare plastica severa, cu dimensiuni ale grauntilor in acest domeniu, si care pana in prezent nu este explicata. Aceasta proprietate de superplasticitate este insotita de fenomene de magnetism la metale care nu prezinta magnetism in stare initiala, cauzate poate de perturbatiile campului elastic in jurul tubului de vacante (asa cum curentul genereaza camp magnetic la trecerea printr-un conductor). Importanta tematicii propuse: Asa cum reiese din literatura, nu este inca determinat un model al mecanismului de deformare la nivel nanocristalin (sub 20 nm). Cercetarile recente au pus in evidenta cateva componente ale mecanismului de deformare, utilizand modelarea cu dinamica moleculara, dar au aparut noi intrebari in explicarea fenomenelor noi ce au fost descoperite. Modelarea matematica a acestor mecanisme ar facilita predictia comportarii mecanice la nivel atomic, ce trebuie cuplata cu scara macroscopica pentru a avea caracterizarea globala a comportarii materialelor prin urmatoarele metode [Teodosiu, COE Seminar, Kyoto, nov.2007]:

i) metoda transmiterii informatiei – informatia obtinuta la o scara mica este utilizata pentru a reduce erorile la scara macro. Se determina variabile de stare si ecuatiile de evolutie ale acestora (ex. legi de ecruisare pentru interactiunile diclocatie-diclocatie, efectul dislocatiei);

ii) metoda analizei simultane – analiza este condusa simultan la scara micro si macro punand conditii la limita si aplicand tehnici de omogenizare a proprietatilor macroscopice in vederea simularii la scara macro.

In acest context, importanta tematicii propuse este de caracterul fundamental al cercetarii ce propune gasirea unei solutii originale pentru o problema ce ar deschide calea spre noi dezvoltari si modelari ale relatiilor dintre structura si proprietati, aplicate in deformarea plastica cu grade mari de deformare – SPD. - vor putea fi elaboarate noi legi de ecruisare pentru structurile cristaline supuse deformarilor SPD; - vor putea fi controlate proprietatile mecanice ale materialelor nanocristaline la scara macro prin cunoasterea fenomenelor la scara micro, permitand dezvoltari de aplicatii noi ale pieselor deformate plastic in domenii precum medicina, nanomedicina, nanoelectronica. - sa proiectam tehnologii noi top-down invingand bariera care exista astazi intre tehnologiile top-down si bottom- up Nanotechnologiile sunt scumpe si, in prezent, cu ajutorul lor nu se pot fabrica piese volumice sau semifabricate cu propiretati nanostructurate si isotrope. -sa se obtina piese si semifabricate cu proprietati imbunatatite prin insusi procesul de fabricatie: rezistenta la uzura datorita organizarii nanostructurate si superplasticitate. Relevanta tematicii propuse: Proiectul este relevant pentru ca reprezinta o cercetare fundamentala la frontiera cunoasterii intimitatii deformarii materialelor metalice cu consecinte neexplicate asupra comportarii macroscopice a acestora dupa actiunea mecanica asupra acestora. Tematica este o provocare in explicarea unor fenomene naturale ce guverneaza obiectul prelucrarilor mecanice – materialele metalice- si a caror cunoastere este incompleta. Evolutia tehnologiilor de deformare permit exploatarea unor noi capabilitati ale materialelor , dar pe care deocamdata doar le intuim, le constatam dar nu avem solutii pentru controlul si predictia acestora. Proiectul este o provocare prin insasi ipoteza lansata, dar se bazeaza pe doi ani de cercetari in literatura de specialitate a ultimelor cercetari si rezultate in domeniul investigarii mecanismelor de deformare, si este fundamentata pe studii interdisciplinare de genetica si mecanica mediului continuu, modelare numerica si experienta in deformarea plastica la rece. Verificarea acestei ipoteze va deschide noi cercetari si va plasa cercetarea romaneasca in randul cercetarilor

de varf ale secolului nostru atragand atentia asupra capacitatii inovative a cercetatorilor din romania. Vizibilitatea internationala a cercetarilor echipei proiectului in domenii conexe tematicii propuse: Tematica propusa este de interes pentru colaboratorii internationali ai Catedrei TCM, iar in cadrul unor vizite de lucru si stagii de cercetare au fost realizate unele cercetari preliminare acestei propuneri,in baza acordurilor de colaborare cu: 1. Laboratoire des Proprietes Mecanique et Thermodinamique – CNRS, Universite Paris 13, Franta– laborator european specializat in analiza mecanismelor de deformare si microscopie avansata. Catedra TCM are acord bilateral de cercetare in care este prevazuta utilizarea platformei de cercetare comune formata din microscop SEM - Scanning Electrone Microscope, TEM - Transmission Electronic Microscope, HRTEM - High Resolution Electronic Microscope. Membrii echipei au realizari comune in domeniul identificarii legilor constituive pentru materialele avansate precum oteluri cu limita inalta de elasticitate, aliaje de aluminiu-magneziu, otel TRIP, dual-phase [H. Haddadi, S. Bouvier, M. Banu, C. Maier, C. Teodosiu, Int. J. of Plast., 2006, 21 citari in jurnale ISI; M. Banu, S. Bouvier, C. Maier, C. Teodosiu, Digital Die Design 3DS Report, 2001, 8 citari in jurnale ISI] 2. V-CAD Integrated Research Project, Materials Fabrication Laboratory, The Institute of Physical and Chemical Research – RIKEN, Japonia – cel mai mare institut de cercetare din Japonia; laboratoarele mentionate fiind specializate Acest proiect are ca scop conectarea metodelor de modelare numerica a proceselor de manufacturare inteligenta cu modelarea numerica a evolutiei celulei vii. Este un proiect interdisciplinar care are ca scop abordarea modelarii numerice atat ca instrument de manufacturare artificiala si analiza microstructurala a unor produse din ingineria mecanica (extrudare, forjare, ambutisare), cat si ca instrument de investigare a fenomenologiei ce sta la baza evolutiei celulei umane (modelarea lanturilor de proteine, modelarea comportarii tesuturilor vii sub actiuni mecanice). In cadrul acestui program VCAD sunt cuplate analiza cu element finit a structurii interne tridimenionale a unui material cristalin cu modelarea cu dinamica moleculara a intercatiunilor dintre factorii mecanici si biochimici ai evolutiei lanturilor de proteine. Modelele matematice ale acestor interactiuni se bazeaza pe mecanica mediului continuu, modelarea geometriei si statistica. Directorul de proiect este cercetator asociat al proiectului VCAD (Volume CAD) si are realizari comune in domeniul modelarii numerice a proceselor de deformare, predictia proprietatilor materialelor prin analiza multiscalara, biomecanica [M. Banu, T. Hama, C. Teodosiu, A. Makinouchi, Int. J. of Mat. Proc. Tech., 2006] – 5 citari in reviste ISI, [M. Takamura, M. Banu, C. Teodosiu, ESAFORM 2006], [J.L. Alves, M. Banu, O. Naidim, E. Naghi, C. Teodosiu, Int. J. of. Mat. Proc. Tech., in publicare]. 3. Centre de Mise en Forme des Materiaux, CEMEF, Sophia Antipolis , Franta – Centru CNRS de Cercetare de Excelenta, specializat in modelarea numerica a materialelor avansate, microformare si nanomateriale. Echipa prezentului proiect are colaborari indelungate (din 1993) cu CEMEF prin realizarea unor stagii de cercetare in domeniul modelarii numerice cu element finit. CEMEF este coordonatorul proiectului FP6 – Virtual Intelligent Manufacturing VIF_CA 507330, in cadrul ariei tematice Nanomateriale, nanotehnologii si procese noi de prelucrare (2004-2008). Proiectul are ca scop crearea unei retele de excelenta intre 49 de parteneri europeni (centre de cercetare, laboratore de cercetare, universitati, companii) in domeniul deformarilor plastice la rece si studiului prin modelare numerica si experiment a relatiei dintre proprietatile materialelor deformate cu grade mari de deformare si microstructura. Catedra TCM este membru al acestui proiect si al acestui consortiu, facand parte din European Research Excellence Network, beneficiind de consultanta si de baza materiala a laboratoarelor din retea, iar la randul sau, punand la dispozitie baza materiala proprie. ii) Sinteza cercetarilor preliminare intreprinse de echipa de cercetare a prezentului proiect, in vederea elaborarii ipotezei ce sta la baza dezvoltarii acestui proiect ♦Descrierea mecanismului de nanostructurare a materialului prin deformare plastica severa, ce reprezinta esenta metodei de nanostructurare propusa in proiect Preliminar acestei propuneri de proiect, au fost realizate incercari experimentale (octombrie 2007) la Laboratorul LPMTM, Franta, prin realizarea unor forfecari Bauschinger fara a atinge limita de rupere a aliajului Al-Mg, si acumularea unui grad de deformare intre 8-20%, printr-o rotire succesiva a epruvetei cu

epruveta pentru forfecare

patern de deformare

90º. Aceasta deformare mare a fost realizata prin impunerea unor paternuri de deformare combinate astfel incat s-a obtinut o dimeniune a grauntelui de 2-3 µm, dimensiune sesizata in urma analizei cu microscopie SEM/TEM, figura 7a. Cercetarile au pus in evidenta ca deformarea plastica severa determina ca dislocatiile sa evolueze spre o stare de echilibru a microstructurii, trecand prin faze in care graunti cu dimeniuni si orientari foarte diferite coexista. Modificarea traiectoriei de deformare prin reversarea sensului de forfecare si prin rotirea sensului de deformare duce la dizolvarea microstructurii si formarea uneia noi, care ultimului mod de deformare. Modelarea acestui fenomen presupune gasirea unor variabile interne de tip tensor asociate cu directia de deformare si polaritatea structurilor de dislocatii. Fig. 7 – Analiza MEB a microstructurii obtinute dupa forfecare multidirectionala cu un grad de deformare acumulat de 12% (deformatie echivalenta)

a) Reprezentarea orientarii unghiulare a grauntilor in zona invecinata deformarii prin forfecare multidirectionala si in zona nanostructurata (A)

b) Forma epruvetei de dimensiuni 15 mm x 15 mm x 1 mm supusa forfecarii multidirectionale aplicata succesiv pe epruveta rotita cu 90 de grade, asa cum se arata in diagrama paternului de deformare. Zona cu efect de nanostructurare vizibil este zona centrala a epruvetei (hasurata) care cumuleaza, in acest caz 12% grad de deformare. c) Histograma distributiei dimensiunilor grauntilor in volumul epruvetei. Se observa existenta grauntilor de 2-3 micrometri, in timp ce initial structura grauntilor era de 70-100 micrometri. Fig. 7 – Analiza MEB a microstructurii obtinute dupa

forfecare multidirectionala cu un grad de deformare acumulat de 12% (deformatie echivalenta)

+0.5

-0.5 0o 90o 180 o 270 o

A

♦Algoritm de integrare multiscalara a rezultatelor modelarii la scara micro si analiza macristructurala

Fig. 8 Algoritmul de analiza microstructurala utilizand aproximarea te tip voxel cuplata cu metoda elementului finit Acest algoritm considera are ca fisier de intrare in analiza, imaginea compusa a epruvetei supusa forfecarii obtinuta prin scanarea la Computer Tomograf (format *.bmp). Imaginea este procesata si se recompune structura 3D a epruvetei supusa deformarii. Informatiile sub forma de pixeli sunt transformate in voxeli, iar acestea sunt transformate in retea de discretizare. In acest fel se face legatura intre fisierul de intrare – ce reprezinta imaginea reala a epruvetei – si fisierul de date necesar analizei structurale cu element finit. Algoritmul folosit in aceasta analiza este prezentat in figura 8. In cadrul acestui algoritm se folosesc software-uri realizate la RIKEN Institute, Japonia. In acest fel este asigurata metode de analiza microstructurala la nivelul macro si de optimizare a paternurilor de deformare pentru studiul influentei gradului de deformare asupra nivelului tensiunilor echivalente aparaute in microstructura. Aceste informatii sunt necesare pentru a ilustra momentul in care tensiunile interne ajung sa determine aparitia mecanismelor de deformare la limita grauntilor – fenomene ce apar la un nivel de nanostructurare de aproximativ 50 µm. Aceste realizari, impreuna cu colaborarile cu Facultatea de Medicina a Universitatii Dunarea de Jos din Galati creaza premisele unei reusite a proiectului, existand multiple colaborari ce sustin consultanta stiintifica, probarea unor solutii elaborate in cadrul proiectului. Bibliografie selectiva: [1]Bringa E.et al., Ultrahigh Strength in Nanocrystalline Materials, Science 309, 1838, (2005), jurnal ISI; [2]Budrovic Z., Footprints of deformation mechanisms during in-situ X-ray diffraction: nanocrystalline and ultrafine grainded materials, 3463(2006).Dir.:HelenaVan Swygenhoven; [3]Budrovic Z. et al., Plastic Deformation with Reversible Peak Broadening in Nanocrystalline Nickel, Science304, 273 (2004), jurnal ISI; [4]Buehler M., Large-scale hierarchical molecular modeling of nanostructured biological materials, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 3(5),603–623 (2006); [5]Buehler M.,et. al., The dynamical complexity of work-hardening: a large-scale molecular dynamics simulation, Acta Mech Sinica, 21,103-111 (2005) – jurnal ISI; [6] Chen Zheng and Yong-Wei Zhang, A Molecular Dynamics Study of the Effect of Voids on the Deformation Behavior of Nanocrystalline Copper, Journal of Nanomaterials, Volume 2007 (2007) – jurnal ISI. [7] Covic M. et al., Genetica medicala, Pub. House Polirom, Romania,ISBN 973-681-334-7 (2004); [8] D. Dascalu, V. Topa, I. Kleps, Nanoscale science and engineering in Romania, Journal of Nanoparticle Research 3: 343-352, (2001), jurnal ISI

[9] Drexler K. E.,Toward Integrated Nanosystems: fundamental Issues in Design and Modeling, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience,3,1-10 (2006) , jurnal ISI [10] Hemker K., Understanding How Nanocrystalline Metals Deform,Science304,221 (2004), jurnal ISI [10’] H.Haddadi, S. Bouvier, M. Banu, C. Maier and C. Teodosiu, Towards an accuarate description of the anisotropic behaviour of sheet metals under large plastic deformations Modelling, numerical analysis and identification, International Journal of Plasticity, Volume 22, 12, (2006), Pages 2226-2271, Elsevier Science, ISSN: 0749-6419. [11] Li L., Wei W., Lin Y., Lijia C. and Zheng L., Grain boundary sliding and accommodation mechanisms during superplastic deformation of ZK40 alloy processed by ECAP, J.of Mat.Sci., 41(2),409-415(2006), jurnal ISI [12] Olejnik L., Rosochowski A., Methods of fabricating metals for nano-technology, Bulletin of the Polish Academy of Sciences,53,4,413-423(2005); [13] Simokawa T. et al., Grain size dependence of the relationship between inter- and intragranular deformation of nanocrystalline Al by molecular dynamic simulation, Phy. Rev. B71, 224110 (2005), jurnal ISI [14] H. Van Swygenhoven, Dislocation propagation versus dislocation nucleation., Nat Mater. 2006 Nov ; 5 (11):841 17077840 (2006), jurnal ISI; [15] Uchic M. et al., Sample Dim. Influence Strength and Crystal Plasticity,Science 305,986 (2004); [16] V. Yamakov, D. Wolf, S. R. Phillpot, A. K. Mukherjee and H. Gleiter, Deformation-mechanism map for nanocrystalline metals by molecular-dynamics simulation, Nature Materials 3, 43 - 47 (2003), jurnal ISI; [17] Wang, T., Isoshima, T., Miyawaki, A. and Hara, M.:Single-molecule interaction between circularly permuted green fluorescent protein and trypsin by total internal reflection fluorescence microscopy, Colloids and Surfaces A, 284-28,395-400(2006); [18] D. H. Warner1, W. A. Curtin& S. Qu, Rate dependence of crack-tip processes predicts twinning trends in f.c.c. metals, Nature Materials 6, 876 - 881 (2007), jurnal ISI; [19] Teodosiu C., Large Plastic Deformation Of Crystalline Aggregates, Springer-Verlag Vienna ISBN / EAN: 3211829091, (1997); [20] ***http://web.mit.edu/durint/overview.html; [21] ***http://www.riken.go.jp/engn/r-world/research/lab/frontier/spatio/local/result.html; [22] Sebastian Kmiecik, Characterization of protein-folding pathways by reduced-space modeling , Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 30: 12330-12335, (2007) [23] Srinivas Pendurti and Sukky Jun, In-Ho Lee, Cooperative atomic motions and core rearrangement in dislocation cross slip, Appl. Phys. Lett. 88, 201908 (2006), jurnal ISI. [24] E.Yamaoka,T,Adachi, Continuum modeling of cytoskeletal system dynamics, RIKEN Symposium, Japan, oct. 2007 [25] Y. Wang, J. Li, A. V. Hamza, and T. W. Barbee, Jr., Ductile crystalline–amorphous nanolaminates, Applied Physical Science, July 3, 2007 _ vol. 104 _ no. 27 _ 11155–11160 (2007), jurnal ISI.