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Modelagem computacional Modelagem computacional multiescala aplicada à ciência multiescala aplicada à ciência

dos materiaisdos materiais

Roberto Gomes de Aguiar Veigargaveiga@usp.br

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

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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 :-)