JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

Ultra İnce taneli metallerin mekanik dayanımının belirlenmesi

Published: November 22, 2021
doi:
10.3791/61819
, , ,
1School of Science,Harbin Institute of Technology, 2Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, 3Advanced Light Source,Lawrence Berkeley National Lab

Summary

Burada sunulan protokol, yüksek basınçlı radyal elmas-örs-hücre deneylerini ve nanomalzemelerin mekanik mukavemetini geleneksel yaklaşıma önemli bir atılımla elde etmek için gerekli olan ilgili verileri analiz etmeyi açıklamaktadır.

Abstract

Metallerin mekanik olarak güçlendirilmesi, endüstrilerde ve akademide malzeme biliminin uzun süredir devam eden zorluğu ve popüler konusudur. Nanometallerin gücünün boyut bağımlılığı çok fazla ilgi çekmektedir. Bununla birlikte, malzemelerin gücünü düşük nanometre ölçeğinde karakterize etmek büyük bir zorluk olmuştur, çünkü nano-girinti, mikro sütun sıkıştırma, çekme vb. gibi geleneksel teknikler artık etkili ve güvenilir hale gelmemektedir. Mevcut protokol, diferansiyel gerilim değişikliklerini izlemek ve ultra ince metallerin gücünü belirlemek için radyal elmas-örs hücresi (rDAC) X-ışını kırınım (XRD) tekniklerini kullanmaktadır. Ultra ince nikel parçacıklarının kaba parçacıklardan daha önemli akma dayanımına sahip olduğu ve nikelin boyut güçlendirmesinin 3 nm’ye kadar devam ettiği bulunmuştur. Bu hayati bulgu son derece etkili ve güvenilir karakterizasyon tekniklerine bağlıdır. rDAC XRD yönteminin nanomalzeme mekaniğini incelemek ve araştırmak için önemli bir rol oynaması bekleniyor.

Introduction

Plastik deformasyona karşı direnç, malzemelerin mukavemetini belirler. Metallerin mukavemeti genellikle azalan tane boyutları ile artar. Bu boyut güçlendirme fenomeni, milimetreden mikronaltı rejime kadar geleneksel Hall-Petch ilişki teorisi ile iyi bir şekilde gösterilebilir; bu, toplu boyutlu metallerin çıkık aracılı deformasyon mekanizmasına dayanır, yani çıkıklar tane sınırlarında (GB’ler) birikir ve hareketlerini engelleyerek metallerde mekanik güçlenmeye yol açar 3,4.

Buna karşılık, genellikle ters Hall-Petch ilişkisi olarak adlandırılan mekanik yumuşama, son yirmi yılda ince nanometaller için 5,6,7,8,9,10 olarak bildirilmiştir. Bu nedenle, nanometallerin gücü hala şaşırtıcıdır, çünkü ~ 10nm 11,12’ye kadar olan tane boyutları için sürekli sertleşme tespit edilirken, 10 nm rejiminin altında yumuşayan boyut vakaları da 7,8,9,10 bildirilmiştir. Bu tartışılan konu için temel zorluk veya zorluk, ultra ince nanometallerin mekanik özellikleri üzerinde istatistiksel olarak tekrarlanabilir ölçümler yapmak ve nanometallerin mukavemeti ve tane büyüklüğü arasında güvenilir bir korelasyon kurmaktır. Zorluğun bir diğer kısmı, nanometallerin plastik deformasyon mekanizmalarındaki belirsizlikten kaynaklanmaktadır. Çıkıklar 13,14, deformasyon eşleştirme 15,16,17, istifleme hataları15,18, GB migrasyon 19,GB kayma 5,6,20,21, tane rotasyonu 22,23,24, nano ölçekte çeşitli kusurlar veya süreçler bildirilmiştir. atomik bağ parametreleri25,26,27,28, vb. Bununla birlikte, hangisinin plastik deformasyona hakim olduğu ve böylece nanometallerin gücünü belirlediği hala belirsizdir.

Yukarıdaki konular için, çekme testi29, Vickers sertlik testi 30,31, nano-girinti testi 32, mikrosütun sıkıştırma33,34,35, vb. gibi geleneksel mekanik mukavemet inceleme yaklaşımları daha az etkilidir, çünkü büyük nanoyapılı malzeme parçalarının yüksek kalitesinin üretilmesi çok zordur ve geleneksel girinti, malzemelerin tek nanopartiküllerinden çok daha büyüktür ( tek parçacık mekaniği). Bu çalışmada, daha önceki çalışmalarda jeoloji alanında kullanılan çeşitli tane boyutlarındaki nano nikelin akma gerilmesini ve deformasyon dokulanmasını yerinde izlemek için malzeme bilimine radyal DAC XRD teknikleri 36,37,38’i tanıtıyoruz. Mekanik güçlendirmenin, daha önce bildirilen en önemli nanometal boyutlarından çok daha küçük olan 3 nm’ye kadar uzatılabileceği bulunmuştur, bu da geleneksel Hall-Petch ilişkisinin rejimini genişletir ve rDAC XRD tekniklerinin malzeme bilimi için önemini ima eder.

Protocol

1. Numune hazırlama Ticari kaynaklardan 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm ve 500 nm nikel tozu elde edin (bkz. Morfoloji karakterizasyonu Şekil 1’de gösterilmiştir. Bir reaksiyon su ısıtıcısı kullanarak 3 nm nikel parçacıklarını ısıtarak 8 nm nikel parçacıkları hazırlayın (bkz. Reaksiyon su ısıtıcısına ~ 20 mL mutlak etanol ve ~ 50 mg 3 nm nikel tozu koyun. NOT: Tüm çözelti, su …

Representative Results

Hidrostatik sıkıştırma altında, yuvarlanmamış X-ışını kırınım çizgileri kavisli değil, düz olmalıdır. Bununla birlikte, hidrostatik olmayan basınç altında, eğrilik (azimut açısı boyunca çizilen çizgilerin doğrusal olmamasına dönüşen XRD halkalarının eliptikliği), benzer basınçlarda ultra ince taneli nikeli önemli ölçüde arttırır (Şekil 4). Benzer bir basınçta, 3 nm boyutlu nikelin diferansiyel gerinimi en yüksek olanıdır. Mekanik dayanım son…

Discussion

Hesaplamalı simülasyonlar, nanometallerin 5,6,16,17,27,42 üzerindeki tane büyüklüğü etkisini incelemek için yaygın olarak kullanılmıştır. Mükemmel çıkıklar, kısmi çıkıklar ve GB deformasyonunun, nanomalzemelerin deformasyon mekanizmalarında belirleyici rol oynadığı öne sürülmüştür. Bir molekü…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı’nın (NSFC) hibe numaraları 11621062, 11772294, U1530402 ve 11811530001 kapsamında verdiği desteği kabul ediyoruz. Bu araştırma kısmen Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı (2021M690044) tarafından da desteklenmiştir. Bu araştırma, DE-AC02-05CH11231 sözleşme numarası altında bir DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Gelişmiş Işık Kaynağı ve Şangay Sinkrotron Radyasyon Tesisi’nin kaynaklarını kullanmıştır. Bu araştırma kısmen NSF İşbirliği Anlaşması EAR 1606856 kapsamında Yer Bilimlerinde Malzeme Özellikleri Araştırma Konsorsiyumu olan COMPIP tarafından desteklenmiştir.

Materials

20 nm Ni Nanomaterialstore SN1601 Flammable
3 nm Ni nanoComposix Flammable
40, 70, 100, 200, 500 nm Ni US nano US1120 Flammable
Absolute ethanol as the solution to make 8 nm Ni
Absolute isopropanol as the solution to make 12 nm Ni
Amorphous boron powder alfa asear
Copper mesh Beijing Zhongjingkeyi Technology Co., Ltd. TEM grid
Epoxy glue
Ethanol clean experimental setup
Focused ion beam FEI
Glass slide
Glue tape Scotch
Kapton DuPont Polyimide film material
Laser drilling machine located in high pressure lab of ALS
Monochromatic synchrotron X-ray Beamline 12.2.2, Advanced Light Source (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratory X-ray energy: 25-30 keV
Optical microscope Leica to mount the gasket and load samples
Pt powder thermofisher 38374
Reaction kettle Xian Yichuang Co.,Ltd. 50 mL
Sand paper from 400 mesh to 1000 mesh
Transmission Electron Microscopy FEI Titan G2 60-300
Two-dimension image plate ALS, BL 12.2.2 mar 345
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hall, E. O. The Deformation and ageing of mild steel.3. Discussion of results. Proceedings of the Physical Society of London Section B. 64 (381), 747-753 (1951).
  2. Conrad, H. Effect of grain size on the lower yield and flow stress of iron and steel. Acta Metallurgica. 11 (1), 75-77 (1963).
  3. Kanninen, M. F., Rosenfield, A. R. Dynamics of dislocation pile-up formation. The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics. 20 (165), 569-587 (1969).
  4. Thompson, A. A. W. Yielding in nickel as a function of grain or cell size. Acta Metallurgica. 23 (11), 1337-1342 (1975).
  5. Schiotz, J., Di Tolla, F. D., Jacobsen, K. W. Softening of nanocrystalline metals at very small grain sizes. Nature. 391 (6667), 561-563 (1998).
  6. Schiotz, J., Jacobsen, K. W. A maximum in the strength of nanocrystalline copper. Science. 301 (5638), 1357-1359 (2003).
  7. Conrad, H., Narayan, J. Mechanism for grain size softening in nanocrystalline Zn. Applied Physics Letters. 81 (12), 2241-2243 (2002).
  8. Chokshi, A. H., Rosen, A., Karch, J., Gleiter, H. On the validity of the hall-petch relationship in nanocrystalline materials. Scripta Metallurgica. 23 (10), 1679-1683 (1989).
  9. Sanders, P. G., Eastman, J. A., Weertman, J. R. Elastic and tensile behavior of nanocrystalline copper and palladium. Acta Materialia. 45 (10), 4019-4025 (1997).
  10. Conrad, H., Narayan, J. On the grain size softening in nanocrystalline materials. Scripta Materialia. 42 (11), 1025-1030 (2000).
  11. Chen, J., Lu, L., Lu, K. Hardness and strain rate sensitivity of nanocrystalline Cu. Scripta Materialia. 54 (11), 1913-1918 (2006).
  12. Knapp, J. A., Follstaedt, D. M. Hall-Petch relationship in pulsed-laser deposited nickel films. Journal of Materials Research. 19 (1), 218-227 (2004).
  13. Kumar, K. S., Suresh, S., Chisholm, M. F., Horton, J. A., Wang, P. Deformation of electrodeposited nanocrystalline nickel. Acta Materialia. 51 (2), 387-405 (2003).
  14. Chen, B., et al. Texture of Nanocrystalline Nickel: Probing the lower size limit of dislocation activity. Science. 338 (6113), 1448-1451 (2012).
  15. Chen, M. W., et al. Deformation twinning in nanocrystalline aluminum. Science. 300 (5623), 1275-1277 (2003).
  16. Yamakov, V., Wolf, D., Phillpot, S. R., Gleiter, H. Deformation twinning in nanocrystalline Al by molecular-dynamics simulation. Acta Materialia. 50 (20), 5005-5020 (2002).
  17. Yamakov, V., Wolf, D., Phillpot, S. R., Mukherjee, A. K., Gleiter, H. Dislocation processes in the deformation of nanocrystalline aluminium by molecular-dynamics simulation. Nature Materials. 1 (1), 45-49 (2002).
  18. Yamakov, V., Wolf, D., Salazar, M., Phillpot, S. R., Gleiter, H. Length-scale effects in the nucleation of extended dislocations in nanocrystalline Al by molecular-dynamics simulation. Acta Materialia. 49 (14), 2713-2722 (2001).
  19. Shan, Z. W., et al. Grain boundary-mediated plasticity in nanocrystalline nickel. Science. 305 (5684), 654-657 (2004).
  20. Li, H., et al. Strain-Dependent Deformation Behavior in Nanocrystalline Metals. Physical Review Letters. 101 (1), 015502 (2008).
  21. Van Swygenhoven, H., Derlet, P. M. Grain-boundary sliding in nanocrystalline fcc metals. Physical Review B. 64 (22), 224105 (2001).
  22. Ovid’ko, I. A. Deformation of nanostructures. Science. 295 (5564), 2386 (2002).
  23. Murayama, M., Howe, J. M., Hidaka, H., Takaki, S. Atomic-level observation of disclination dipoles in mechanically milled, nanocrystalline Fe. Science. 295 (5564), 2433 (2002).
  24. Wang, L., et al. Grain rotation mediated by grain boundary dislocations in nanocrystalline platinum. Nature Communications. 5, 4402 (2014).
  25. Edalati, K., et al. Influence of dislocation-solute atom interactions and stacking fault energy on grain size of single-phase alloys after severe plastic deformation using high-pressure torsion. Acta Materialia. 69, 68-77 (2014).
  26. Edalati, K., Horita, Z. High-pressure torsion of pure metals: Influence of atomic bond parameters and stacking fault energy on grain size and correlation with hardness. Acta Materialia. 59 (17), 6831-6836 (2011).
  27. Yamakov, V., Wolf, D., Phillpot, S. R., Mukherjee, A. K., Gleiter, H. Deformation-mechanism map for nanocrystalline metals by molecular-dynamics simulation. Nature Materials. 3 (1), 43-47 (2004).
  28. Starink, M. J., Cheng, X., Yang, S. Hardening of pure metals by high-pressure torsion: A physically based model employing volume-averaged defect evolutions. Acta Materialia. 61 (1), 183-192 (2013).
  29. Yang, T., et al. Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces. Science. 369 (6502), 427 (2020).
  30. Hu, J., Shi, Y. N., Sauvage, X., Sha, G., Lu, K. Grain boundary stability governs hardening and softening in extremely fine nanograined metals. Science. 355 (6331), 1292 (2017).
  31. Yue, Y., et al. Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness. Nature. 582 (7812), 370-374 (2020).
  32. Li, X. Y., Jin, Z. H., Zhou, X., Lu, K. Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains. Science. 370 (6518), 831 (2020).
  33. Yan, S., et al. Crystal plasticity in fusion zone of a hybrid laser welded Al alloys joint: From nanoscale to macroscale. Materials and Design. 160, 313-324 (2018).
  34. Khalajhedayati, A., Pan, Z., Rupert, T. J. Manipulating the interfacial structure of nanomaterials to achieve a unique combination of strength and ductility. Nature Communications. 7 (1), 10802 (2016).
  35. Chen, L. Y., et al. Processing and properties of magnesium containing a dense uniform dispersion of nanoparticles. Nature. 528 (7583), 539-543 (2015).
  36. Zhou, X., et al. High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals. Nature. 579 (7797), 67-72 (2020).
  37. Lutterotti, L., Vasin, R., Wenk, H. -. R. Rietveld texture analysis from synchrotron diffraction images. I. Calibration and basic analysis. Powder Diffraction. 29 (1), 76-84 (2014).
  38. Singh, A. K., Balasingh, C., Mao, H. K., Hemley, R. J., Shu, J. F. Analysis of lattice strains measured under nonhydrostatic pressure. Journal of Applied Physics. 83 (12), 7567-7575 (1998).
  39. Hemley, R. J., et al. X-ray imaging of stress and strain of diamond, iron, and tungsten at megabar pressures. Science. 276 (5316), 1242-1245 (1997).
  40. Merkel, S., et al. Deformation of polycrystalline MgO at pressures of the lower mantle. Journal of Geophysical Research-Solid Earth. 107, 2271 (2002).
  41. Singh, A. K. The lattice strains in a specimen (cubic system) compressed nonhydrostatically in an opposed Anvil device. Journal of Applied Physics. 73 (9), 4278-4286 (1993).
  42. Van Swygenhoven, H., Derlet, P. M., Frøseth, A. G. Stacking fault energies and slip in nanocrystalline metals. Nature Materials. 3 (6), 399-403 (2004).
  43. Chung, H. Y., et al. Synthesis of ultra-incompressible superhard rhenium diboride at ambient pressure. Science. 316 (5823), 436-439 (2007).
  44. Jo, M., et al. Theory for plasticity of face-centered cubic metals. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (18), 6560 (2014).
  45. Klueh, R. L. Miniature tensile test specimens for fusion reactor irradiation studies. Nuclear Engineering and Design, Fusion. 2 (3), 407-416 (1985).
  46. Konopík, P., Farahnak, P., Rund, M., Džugan, J., Rzepa, S. Applicability of miniature tensile test in the automotive sector. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 461, 012043 (2018).
  47. Yang, J., et al. Strength enhancement of nanocrystalline tungsten under high pressure. Matter and Radiation at Extremes. 5 (5), 058401 (2020).
  48. Chen, B. Exploring nanomechanics with high-pressure techniques. Matter and Radiation at Extremes. 5 (6), (2020).

Tags

Mechanical StrengthUltra-fine-grained MetalsASFA MetalLaser DrillingBoron Epoxy GasketDiamond PistonSynchrotron X-ray DiffractionHydrostatic CompressionNon-hydrostatic Pressure

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Xu, J., Wang, Y., Yan, J., Chen, B. Determining the Mechanical Strength of Ultra-Fine-Grained Metals. J. Vis. Exp. (177), e61819, doi:10.3791/61819 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image