An Atomistic Investigation of Cobalt’s Nanoindentation Response with An Angular Dependent Potential
Uma investigação atomística da resposta à nanoindentação do cobalto com um potencial dependente do ângulo
Autores:
- Douglas S. Oliveira
- Danilo P. Kuritza
- José E. Padilha*
- Mônica A. Cotta
* Pesquisador NAPI EZC
-
Publicado 01 maio de 2026
Abstract
Cobalt and its alloys are essential in many advanced technologies and understanding their mechanical properties at the nanoscale is crucial for designing next-generation materials. In this work, an angular-dependent potential for cobalt was developed by fitting to a reference data set of atomic forces, energies, and stress tensors derived from first-principles density functional theory calculations. The potential’s performance was systematically evaluated against experimental data and two established classical potentials─an embedded-atom method potential and a modified embedded-atom method potential─across a range of structural, mechanical, thermal, and defect properties for both HCP and FCC phases, as well as the liquid state. The ADP model demonstrates a favorable balance between accuracy and computational cost, exhibiting a mean absolute percentage error of 6.3% for mechanical and elastic properties. Large-scale molecular dynamics simulations of nanoindentation on the (0001) basal plane of HCP cobalt were performed to investigate the atomistic mechanisms of plastic deformation. The simulations reveal that plasticity initiates with the nucleation of <a>-type dislocations on basal planes, followed by the activation of pyramidal <c+a> slip and a localized, reversible HCP-to-FCC phase transformation under high pressure. The critical shear stress for dislocation nucleation was found to decrease with increasing indenter radius, converging to a value of (13.7 ± 0.6) GPa.
Resumo
O cobalto e suas ligas são essenciais em muitas tecnologias avançadas, e compreender suas propriedades mecânicas em escala nanométrica é crucial para o desenvolvimento de materiais de próxima geração. Neste trabalho, um potencial dependente do ângulo para o cobalto foi desenvolvido por meio do ajuste a um conjunto de dados de referência composto por forças atômicas, energias e tensores de tensão obtidos a partir de cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade. O desempenho do potencial foi avaliado sistematicamente em comparação com dados experimentais e dois potenciais clássicos consolidados — um potencial do método do átomo embutido (EAM) e um potencial do método do átomo embutido modificado (MEAM) — abrangendo propriedades estruturais, mecânicas, térmicas e de defeitos, tanto para as fases HCP e FCC quanto para o estado líquido. O modelo ADP demonstrou um equilíbrio favorável entre precisão e custo computacional, apresentando um erro percentual absoluto médio de 6,3% para propriedades mecânicas e elásticas. Simulações em larga escala de dinâmica molecular de nanoindentação no plano basal (0001) do cobalto HCP foram realizadas para investigar os mecanismos atomísticos de deformação plástica. As simulações revelam que a plasticidade se inicia com a nucleação de discordâncias do tipo <a> nos planos basais, seguida pela ativação do deslizamento piramidal <c+a> e por uma transformação de fase localizada e reversível de HCP para FCC sob alta pressão. Observou-se que a tensão de cisalhamento crítica para a nucleação de discordâncias diminui com o aumento do raio do indentador, convergindo para um valor de (13,7 ± 0,6) GPa.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
