Collective phenomena in deformation

Abstract

In this work the collective phenomena in material deformation, here meaning the collective dynamics of crystal defects (dislocations) or cellulose fibers, are studied experimentally using various techniques, which include imaging techniques, such as laser speckle technique and Digital Image Correlation, and also Acoustic Emission monitoring. Due to the nature of these collective bursts, or avalanches, they can be modelled with mesoscopic models and here each of the experimental systems is compared to simulations based on one of these simple models. In Publication I the dynamics of Portevin–Le Chatelier (PLC) deformation bands are studied using statistical methods. The results are mapped to a model based on the well-known model of mean-field depinning, the Alessandro–Beatrice–Bertotti–Montorsi (ABBM) model. This shows that a PLC deformation band, consisting of a large number of dislocations, behaves essentially as a single excitation of a quasiparticle. In Publication II the creep deformation of a quasi-2D fibrous material, paper, was studied close to failure. The localization of strain in tertiary creep was observed, concomitantly with scalefree behavior, divergence, of associated quantities. A serial fiber bundle model qualitatively reproduces this behavior and this implies that the behavior is not due to correlated avalanche phenomena. In Publication III the compression of foam-formed fibrous materials is studied. It is compared with the predictions of a mean-field model of fiber buckling, which reproduces the observed phenomena up to a certain strain, at which a crossover to collective phenomena is observed. The exponents of the acoustic emission energy and waiting time distributions seem to belong to a novel universality class.

Tässä työssä tutkitaan kollektiivisia ilmiöitä aineen muodonmuutoksissa, eli tässä tapauksessa hilavirheiden (dislokaatioiden) tai selluloosakuitujen kollektiivista dynamiikkaa. Kokeellisessa tutkimuksessa käytetään monia eri tekniikoita: kuvantamismenetelmiä, kuten laserpilkkutekniikkaa ja digitaalista kuvakorrelaatiota, sekä akustisen emission havaitsemista. Näiden kollektiivisten purskeiden, eli vyöryjen, luonteesta johtuen niitä voidaan mallintaa mesoskooppisilla malleilla ja kutakin työssä esiintyvää kokeellista systeemiä verrataankin simulaatioihin, jotka hyödyntävät jotain näistä yksinkertaisista malleista. Julkaisussa I tutkitaan Portevinin–Le Chatelierin (PLC) ilmiöön liittyvien venymänauhojen dynamiikkaa tilastollisin menetelmin. Tulokset tulkitaan tunnettuun keskeiskenttämalliin, Alessandron–Beatricen–Bertottin–Montorsin (ABBM) malliin, perustuvan mallin avulla. Tämä kertoo, että PLC-venymänauha, joka koostuu suuresta määrästä dislokaatioita, käyttäytyy pohjimmiltaan kuin näennäishiukkasen yksittäinen eksitaatio. Julkaisussa II näennäisesti kaksiulotteisen kuitumateriaalin, paperin, virumista tutkitaan murtumishetken läheisyydessä. Venymän paikallistuminen havaitaan tertiäärivirumisessa, samanaikaisesti siihen liittyvien suureiden mittakaavasta riippumattoman käytöksen, divergenssin, kanssa. Tämä käytös voidaan kvalitatiivisesti toistaa kuitukimppumallin avulla, mikä viittaa siihen, että havaittu käytös ei johdu korreloituneista vyöryistä. Julkaisussa III tutkitaan vaahtorainatun kuitumateriaalin käytöstä puristuksessa. Tätä käytöstä verrataan kuitunurjahdusten keskeiskenttämallista saatuihin ennusteisiin, jotka vastaavat havaittua käytöstä tiettyyn venymään saakka, jonka jälkeen havaitaan siirtymä kollektiiviseen käytökseen. Akustisen emission energia- ja odotusaikajakaumien eksponentit vaikuttavat kuuluvan uuteen universaalisuusluokkaan.