Avalanches in plastic deformation of materials
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2016-12-14
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
64 + app. 59
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 249/2016
Abstract
Materials often do not deform continuously, but in an intermittent manner with sudden bursts of activity separated by periods of low activity. The sizes of these bursts, or avalanches, typically follow power law distributions, and spatial and temporal correlations are observed between avalanches. Experimental evidence of such behaviour in material deformation ranges from compressed single crystals on the micrometer scale to the movement of tectonic plates. In the first part of this work (Publication I-III) we study avalanches and other collective phenomena in the deformation of crystalline materials with simple numerical models. We extend a standard 2d discrete dislocation dynamics model to include point defects, which interact with dislocations and act as obstacles for their movement. With immobile defects, we find two new phases different from the pure 2d system. For a moderate pinning strength, the critical properties match those seen in depinning transitions, with critical exponents different from mean field theory. At a very high pinning strength, critical avalanche dynamics ceases. With mobile solute atoms, dislocations and solute clouds form growing structures, which we characterize through spatial correlations. The structure formation leads to Andrade creep in an extended range of external stress for creep simulations. The effect of mobile solute atoms in avalanches is seen as a linear size-duration relationship, and a stationary cutoff regime for avalanche distributions. In a pure 2d system, we show that the avalanche statistics depend on the avalanche triggering mechanism, and that critical avalanche dynamics is seen even at zero external stress. In the second part (Publication IV) we study avalanches in wood compression by analyzing the acoustic emission recorded during compression experiments. The acoustic event time series displays several similarities to earthquakes and experiments on brittle porous materials. These include power law distributions of event energies and waiting times between avalanches, as well as the Omori law for aftershocks. By using digital image correlation, we show that the peaks of highest acoustic activity are related to the sudden collapse of softwood layers.Materiaalit eivät usein muuta muotoaan tasaisesti, vaan äkillisinä purskeina tai vyöryinä, joiden välissä on hiljaisia ajanjaksoja. Näiden vyöryjen kokojakaumat noudattavat tyypillisesti potenssilakeja, ja vyöryjen välillä voidaan nähdä ajallisia ja paikallisia korrelaatioita. Tällaista käytöstä on kokeellisesti havaittu niin puristetuissa mikrometriskaalan yksittäiskiteissä kuin mannerlaattojen liikkeessäkin. Tämän työn ensimmäisessä osassa (julkaisut I-III) tutkitaan vyöryjä ja muita kollektiivisia ilmiöitä kiteisten aineiden muodonmuutoksessa yksinkertaisten numeeristen mallien avulla. Lisäämme tavanomaiseen kaksiulotteiseen diskreettiin dislokaatiodynamiikkamalliin pistemäisiä kidevirheitä, jotka vuorovaikuttavat dislokaatioiden kanssa ja estävät niiden liikettä. Kun kidevirheet eivät liiku, löydämme kaksi uutta dislokaatioiden liikettä kuvaavaa faasia, joita ei havaita puhtaassa systeemissä. Kohtalaisella vuorovaikutusvoimakkuudella systeemin kriittiset ominaisuudet ovat samanlaiset kuin depinning-transitioissa, mutta kriittiset eksponentit poikkeavat keskimääräisen kentän teoriasta. Hyvin voimakkaalla vuorovaikutusvoimakkuudella kriittinen dynamiikka lakkaa. Kun pistemäisinä kidevirheinä kuvatut soluuttiatomit liikkuvat, dislokaatiot ja soluuttipilvet muodostavat kasvavia rakenteita, joita karakterisoimme avaruudellisten korrelaatioiden kautta. Virumissimulaatioissa nähdään tällöin Andraden virumislaki laajemmassa ulkoisen jännityksen alueessa kuin tavallisesti. Liikkuvien soluuttien vaikutuksesta vyöryjen koon ja keston välinen suhde muuttuu lineaariseksi, ja vyöryjakaumien katkaisut saavuttavat vakioarvon suurilla ulkoisilla jännityksillä. Näytämme lisäksi, että puhtaissa 2d-systeemeissä vyörystatistiikka riippuu vyöryjen laukaisumekanismista, ja että kriittistä vyörydynamiikkaa esiintyy jopa nollajännityksessä. Työn toisessa osassa (julkaisu IV) tutkimme vyöryjä puun puristuksessa analysoimalla puristuskokeen aikana nauhoitettua ääntä. Akustisen aikasarjan ominaisuudet muistuttavat monin tavoin maanjäristyksiä sekä hauraiden ja huokoisten aineiden puristuskokeita. Vyöryjen energiat sekä odotusajat vyöryjen välillä noudattavat potenssilakijakaumia, ja jälkijäristykset noudattavat Omorin lakia. Osoitamme digitaalisen kuvakorrelaation avulla että korkean akustisen aktiivisuuden ajanjaksot liittyvät puun vuosirenkaiden äkilliseen luhistumiseen.Description
Supervising professor
Alava, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Alava, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandKeywords
avalanche, plastic deformation, dislocation, acoustic emission, vyöry, plastinen muodonmuutos, dislokaatio, akustinen emissio
Parts
-
[Publication 1]: Markus Ovaska, Lasse Laurson, Mikko J. Alava. Quenched pinning and collective dislocation dynamics. Scientific Reports, 5:10580, May 2015.
DOI: 10.1038/srep10580 View at publisher
-
[Publication 2]: Markus Ovaska, Topi Paananen, Lasse Laurson, Mikko J. Alava. Collective dynamics of dislocations interacting with mobile solute atoms. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, 043204, April 2016.
DOI: 10.1088/1742-5468/2016/04/043204 View at publisher
-
[Publication 3]: Sanja Janićević, Markus Ovaska, Mikko J. Alava, Lasse Laurson. Avalanches in 2D dislocation systems without applied stresses. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, P07016, July 2015.
DOI: 10.1088/1742-5468/2015/07/P07016 View at publisher
-
[Publication 4]: Tero Mäkinen, Amandine Miksic, Markus Ovaska, Mikko J. Alava. Avalanches in wood compression. Physical Review Letters, 115, 055501, July 2015.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.055501 View at publisher
