Atomic scale study of mechanical spectroscopy in FCC metals

Abstract

La fricción interna corresponde a la capacidad de los materiales de disipar la energía de ondas de sonido. Esta capacidad depende del tipo de material así como del tipo y cantidad de defectos que contenga. Durante muchos años se ha utilizado la espectroscopía mecánica para obtener información del material a través de distintos experimentos, midiendo por ejemplo la fricción interna de un material específico. A pesar de la capacidad para medir fricción interna, hasta ahora es difícil conocer con precisión cuales son los mecanismos microscópicos que dan origen a la disipación de energía al interior del material. De particular interés es un pico en la curva de disipación interna versus temperatura llamado pico de Bordoni. La evidencia sugiere que la generación de este pico se debe a propiedades de las dislocaciones. Modelos teóricos que usan mecánica del continuo permiten una descripción cualitativa, pero no cuantitativa, del efecto. Hasta ahora se ha estudiado el pico de Bordoni desde el punto de vista experimental y desde la mecánica del contínuo. En este trabajo se propone estudiar este efecto desde las simulaciones atomísticas a través de dinámica molecular. Para ello se generó una muestra de cobre de 892800 átomos con dos dislocaciones ancladas y se generaron ondas de corte en el material. Se midió la tensión generada en la muestra y se encontraron las curvas de tensión-deformación. Luego se estudió la disipación de energía generada por la interacción de las ondas con las dislocaciones a través de una posible histéresis en las curvas de tensión-deformación. Estas simulaciones se realizaron a las temperaturas de 0, 50, 100, 150, 200 y 250 K, con períodos de 125 ps y 38 ps y un máximo de deformación de 0.0008 y 0.008. Para estimar el orden de magnitud esperado para la respuesta del sistema se usó un modelo de cuerda sobreamortiguada, lo que también permitió estimar el período de forzamiento para el cual las pérdidas deberían ser máximas. Todo esto llevó a una estimación del cuociente entre energía disipada por ciclo y energía acumulada máxima del orden de 10^{-4} lo cual se ajusta a los resultados experimentales. Para estimar el valor de los parámetros que aparecen en el modelo analítico se realizaron simulaciones con las dislocaciones desancladas. Dentro de la precisión numérica utilizada, no se encontró histéresis. Se deduce que la barrera de Peierls es muy pequeña para permitir detección de la histéresis. Se establece una cota para la precisión en las mediciones para cuantificar la fricción interna en el futuro. Posibles direcciones de trabajo futuro incluyen la disminución de las fluctuaciones en las mediciones de la tensión, lo que se podría lograr con un mayor número de ciclos generados en las ondas de corte y promediando sobre muchas realizaciones. Otra opción es realizar las simulaciones en otros materiales, con mayores coeficientes de fricción, para aumentar la energía disipada.