Транзвуковые дроби
Материалы выдерживают нагрузки только до определенного предела, затем они поддаются. Но как и когда они это делают, зависит от их внутренней структуры. Стекло разлетается на тысячи осколков, а на металл остается только вмятина. Теперь ученые смогли взглянуть на эти процессы с помощью самого быстрого в мире суперкомпьютера.
Каждый ребенок знает, что со стеклом и фарфором нужно обращаться бережно. Ведь предметы из этих хрупких материалов редко прощают падение с полуметровой высоты. В отличие от металлических предметов, они часто выживают при падении с большой высоты, только сгибаясь или получая вмятины.
Хотя такие наблюдения являются обычным явлением, научное исследование процессов на микроскопическом уровне довольно сложно. Потому что стекло разбивается за доли секунды, а металл тоже быстро гнется под действием соответствующей силы, так что такие процессы часто ускользают от прямого наблюдения. Так что, если вы не можете получить прямой взгляд на микроскопические процессы, это может сработать с вычислительной мощностью компьютеров.
В принципе, это совсем несложно, потому что для описания движения атомов в куске металла на самом деле достаточно простого основного уравнения механики - уравнения движения Ньютона. Это позволяет точно решить движение одного или двух атомов, но с тремя это уже невозможно. Для решения задачи необходимы численные методы. Это возможно с помощью так называемого моделирования молекулярной динамики: здесь соответствующее уравнение движения решается для каждого атома в куске материи - не точно, но как можно точнее.
Конечно, со многими атомами все это требует больших вычислительных усилий, поэтому в шестидесятых годах прошлого века можно было работать только с несколькими сотнями атомов. В 1984 году еще можно было описать 100 000 атомов, а благодаря новейшим компьютерным технологиям и возможности распределения такого большого объема вычислительных усилий по нескольким процессорам теперь можно рассчитать даже до миллиарда атомов.
Это то, что произошло на самом быстром суперкомпьютере в мире - 12-терафлопном компьютере ASCI-White в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Фарид Абрахам из Исследовательского центра IBM Almaden и его коллеги выполнили на этой машине два моделирования прямоугольных образцов, состоящих из десятков миллионов атомов. В первом моделировании на 20 миллионах атомов исследователи изучили, как разрушение распространяется в хрупком материале [1]. Второе моделирование было разработано для изучения явления упрочнения, такого как то, которое происходит в металлах при многократном изгибе и напряжении. Оба моделирования по-прежнему требовали десяти дней непрерывного вычислительного времени [2]., даже на суперкомпьютере.
Но усилия того стоили, потому что симуляции дали несравненный взгляд на этот вопрос. Это показало, что излом хрупкого материала мигрировал чрезвычайно быстро. Начиная с углублений на боку блока, он распространялся по всему материалу, разрывая химические связи одну за другой. Что было удивительно, так это то, что трещина двигалась быстрее в жестком материале, чем в мягком, гибком материале, и таким образом иногда даже распространялась быстрее, чем звук. Лишь в последние годы нечто подобное наблюдается в лабораторных экспериментах и при сильных землетрясениях.
Ученым также удалось проследить важный процесс, происходящий с материалом во втором моделировании: если вы сгибаете металл несколько раз подряд, он сначала становится твердым и оказывает большее сопротивление дальнейшей деформации. Только при дальнейшей деформации он окончательно становится хрупким и ломается. По-видимому, изначально гибкое поведение связано со структурными дефектами кристаллической структуры. Так называемые дислокационные ошибки позволяют атомным плоскостям смещаться относительно друг друга. Под нагрузкой эти дислокации мигрируют по материалу - подобно складкам на ковре, которые можно сдвинуть с небольшим усилием.
Если материал подвергается дальнейшему напряжению и изгибу, могут также возникнуть новые дислокации. Они сталкиваются друг с другом, застревают и в конечном итоге увеличивают прочность металла. Однако, если нагрузка продолжает увеличиваться, изначально гибкий материал может стать хрупким и сломаться под действием дополнительной силы. Исследователи уже знали все это из других экспериментов и теоретических соображений, но благодаря моделированию теперь у них появилась возможность впервые реально наблюдать этот процесс.
Таким образом, эта и последующая работа имеют большее значение, как объясняет Абрахам: «Внезапное, неожиданное разрушение материала может иметь разрушительные последствия, такие как землетрясение или выход из строя важных компонентов самолета. С современными суперкомпьютерами и нашим программным обеспечением мы можем гораздо лучше понимать такие процессы».