Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Henri Salmenjoki

Useimmat metallit ovat kiteisiä aineita, joissa myötäminen johtuu kiteessä olevien viivamaisten hilavirheiden, eli dislokaatioiden, liikkeestä. Koska kiteessä ulkoisten voimien aiheuttama myötäminen ja muut peruuttamattomat (plastiset) muodonmuutokset ovat usein haitaksi, dislokaatioilmiöiden tutkimus on keskeistä materiaalien ominaisuuksien ymmärtämiseksi ja parantamiseksi. Kiteen myötörajaa pystytäänkin nostamaan esimerkiksi seostamalla kiteeseen erkaumia, jotka estävät dislokaatioiden liikettä.

Kuitenkin tarkasteltaessa kiteen plastisia muutoksia mikroskooppisen pienissä kappaleissa, kuten mikropilareissa, plastiset muutokset tapahtuvat erikokoisina purskeina, jotka syntyvät dislokaatioiden kollektiivisesta liikkeestä. Nämä dislokaatiovyöryt muistuttavat esimerkiksi maanjäristyksiä siinä, että niiden koko ja kesto noudattavat niin sanottua potenssilakijakaumaa. Makroskooppisissa kiteissä dislokaatioita on suuri määrä, joten dislokaatiovyöryt keskiarvoistuvat näennäisesti tasaiseksi myötämiseksi, mutta mikroskooppisissa kappaleissa vyöryt dominoivat plastisuutta. Esimerkiksi jo mainittujen mikropilareiden puristuskokeissa mitattava jännitys-venymäkäyrä koostuu vyöryjen myötä diskreeteistä venymäpurskeista, jotka ovat jokaiselle näytteelle erilaiset. Näin ollen mikrotasolla kiteiden mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat kiteessä olevan dislokaatiorakenteen mukaan tehden kiteiden plastisuudesta satunnaista.

Väitöskirjassa tutkin kiteisten aineiden myötämiseen liittyviä dislokaatioilmiöitä diskreettien dislokaatiodynamiikkasimulaatioiden avulla kahdesta näkökulmasta. Ensimmäisessä osassa keskityn plastisuuden satunnaisuuteen. Käytän ohjattua koneoppimista simuloitujen dislokaatiorakenteiden jännitys-venymäkäyrän ennustamisessa. Tehtävässä käytettävä neuroverkko pystyy antamaan pätevän estimaatin dislokaatiorakenteen jännitysvasteesta, mutta yksittäisten dislokaatiovyöryjen ennustaminen ei onnistu. Pureudun myös vyöryjen rooliin dislokaatiorakenteiden jännitysvasteen ennustettavuudesta. Dislokaatioverkoston vyöryt osoittautuvatkin korreloituneiksi siten, että vyöryt vaikeuttavat jännitys-venymäkäyrän ennustamista. Väitöskirjan toisessa osassa lisään simuloituihin systeemeihin erkaumia. Varioimalla erkaumien tiheyttä ja lujuutta pystyn muuttamaan systeemin myötörajan lisäksi systeemin dynamiikkaa dislokaatioiden välisten vuorovaikutusten hallitsemasta erkaumien dominoimaan tilanteeseen.

Vastaväittäjä on professori Michael Zaiser, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Saksa

Kustos on professori Mikko Alava, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Väittelijän yhteystiedot: [email protected], 0505143552

Väitöstilaisuus järjestetään kampuksella (Otakaari 1, sali M1).

Väitöskirja on julkisesti nähtävillä 10 päivää ennen väitöstä Aalto-yliopiston julkaisuarkiston verkkoriiputussivulla.

Elektroninen väitöskirja