تحديد القوة الميكانيكية للمعادن فائقة النواة
Summary
يصف البروتوكول المعروض هنا تجارب خلايا الماس السندان الشعاعية عالية الضغط وتحليل البيانات ذات الصلة ، والتي تعد ضرورية للحصول على القوة الميكانيكية للمواد النانوية مع اختراق كبير للنهج التقليدي.
Abstract
التعزيز الميكانيكي للمعادن هو التحدي طويل الأمد والموضوع الشائع لعلوم المواد في الصناعات والأوساط الأكاديمية. وقد اجتذب الاعتماد على حجم قوة المعادن النانوية الكثير من الاهتمام. ومع ذلك ، فإن توصيف قوة المواد على مقياس النانومتر الأدنى كان تحديا كبيرا لأن التقنيات التقليدية لم تعد فعالة وموثوقة ، مثل المسافة البادئة النانوية ، وضغط الأعمدة الدقيقة ، والشد ، وما إلى ذلك. يستخدم البروتوكول الحالي تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD) لخلية سندان الماس الشعاعية (rDAC) لتتبع تغيرات الإجهاد التفاضلي وتحديد قوة المعادن متناهية الصغر. وجد أن جزيئات النيكل متناهية الصغر لها قوة إنتاجية أكبر من الجسيمات الخشنة ، ويستمر تقوية حجم النيكل إلى 3 نانومتر. يعتمد هذا الاكتشاف الحيوي بشكل كبير على تقنيات توصيف فعالة وموثوقة. من المتوقع أن تلعب طريقة rDAC XRD دورا مهما في دراسة واستكشاف ميكانيكا المواد النانوية.
Introduction
تحدد مقاومة تشوه البلاستيك قوة المواد. عادة ما تزداد قوة المعادن مع انخفاض أحجام الحبوب. يمكن توضيح ظاهرة تعزيز الحجم هذه بشكل جيد من خلال نظرية العلاقة التقليدية بين هول وبيتش من المليمتر إلى نظام تحت الميكرون 1,2 ، والتي تستند إلى آلية التشوه بوساطة الخلع للمعادن السائبة الحجم ، أي الخلع يتراكم عند حدود الحبوب (GBs) ويعيق تحركاتها ، مما يؤدي إلى التعزيز الميكانيكي في المعادن 3,4.
في المقابل ، تم الإبلاغ عن التليين الميكانيكي ، الذي يشار إليه غالبا باسم العلاقة العكسية بين هول وبيتش ، للمعادن النانوية الدقيقة في العقدين الماضيين5،6،7،8،9،10. لذلك ، لا تزال قوة المعادن النانوية محيرة حيث تم الكشف عن تصلب مستمر لأحجام الحبوب وصولا إلى ~ 10 نانومتر11,12 ، في حين تم الإبلاغ أيضا عن حالات تليين الحجم أقل من نظام 10 نانومتر 7,8,9,10. تتمثل الصعوبة أو التحدي الرئيسي لهذا الموضوع الذي تمت مناقشته في إجراء قياسات قابلة للتكرار إحصائيا على الخواص الميكانيكية للمعادن النانوية متناهية الصغر وإنشاء علاقة موثوقة بين قوة وحجم الحبوب للمعادن النانوية. جزء آخر من الصعوبة يأتي من الغموض في آليات تشوه البلاستيك للمعادن النانوية. تم الإبلاغ عن عيوب أو عمليات مختلفة على نطاق النانو ، بما في ذلك الخلع 13،14 ، توأمة التشوه 15،16،17 ، أخطاء التراص15،18 ، ترحيل GB 19 ، انزلاق GB5،6،20،21 ، دوران الحبوب 22،23،24 ، معلمات الرابطة الذرية25،26،27،28 ، إلخ. ومع ذلك ، فإن أي واحد يهيمن على تشوه البلاستيك وبالتالي يحدد قوة المعادن النانوية لا يزال غير واضح.
بالنسبة لهذه القضايا المذكورة أعلاه ، فإن الأساليب التقليدية لفحص القوة الميكانيكية ، مثل اختبار الشد29 ، واختبار صلابة فيكرز 30,31 ، واختبار المسافة البادئة النانوية 32 ، وضغط الأعمدة الدقيقة 33,34,35 ، وما إلى ذلك ، أقل فعالية لأن الجودة العالية للقطع الكبيرة من المواد ذات البنية النانوية يصعب تصنيعها ، كما أن indenter التقليدية أكبر بكثير من الجسيمات النانوية المفردة للمواد (بالنسبة ل ميكانيكا الجسيمات المفردة). في هذه الدراسة ، نقدم تقنيات DAC XRD الشعاعية36،37،38 إلى علوم المواد لتتبع إجهاد الغلة وتشوه نسيج نانو نيكل من مختلف أحجام الحبوب ، والتي تستخدم في مجال العلوم الجيولوجية في الدراسات السابقة. وقد وجد أن التعزيز الميكانيكي يمكن تمديده إلى 3 نانومتر، وهو أصغر بكثير من الأحجام الأكثر أهمية للمعادن النانوية التي تم الإبلاغ عنها سابقا، مما يوسع نظام العلاقة التقليدية بين هول وبيتش، مما يعني أهمية تقنيات rDAC XRD لعلوم المواد.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم استخدام المحاكاة الحاسوبية على نطاق واسع لدراسة تأثير حجم الحبوب على قوة المعادن النانوية5،6،16،17،27،42. تم اقتراح الخلع المثالي والخلع الجزئي وتشوه GB للعب أدوار حاسمة في آليات ت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن نقر بالدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (NSFC) بموجب أرقام المنح 11621062 11772294 و U1530402 و 11811530001. كما تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل مؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (2021M690044). استخدم هذا البحث موارد مصدر الضوء المتقدم ، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة بموجب العقد رقم DE-AC02-05CH11231 ومرفق شنغهاي للإشعاع السنكروتروني. تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل COMPRES ، اتحاد أبحاث خصائص المواد في علوم الأرض بموجب اتفاقية التعاون NSF EAR 1606856.
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 |
References
- 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).
- Conrad, H. Effect of grain size on the lower yield and flow stress of iron and steel. Acta Metallurgica. 11 (1), 75-77 (1963).
- 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).
- Thompson, A. A. W. Yielding in nickel as a function of grain or cell size. Acta Metallurgica. 23 (11), 1337-1342 (1975).
- Schiotz, J., Di Tolla, F. D., Jacobsen, K. W. Softening of nanocrystalline metals at very small grain sizes. Nature. 391 (6667), 561-563 (1998).
- Schiotz, J., Jacobsen, K. W. A maximum in the strength of nanocrystalline copper. Science. 301 (5638), 1357-1359 (2003).
- Conrad, H., Narayan, J. Mechanism for grain size softening in nanocrystalline Zn. Applied Physics Letters. 81 (12), 2241-2243 (2002).
- 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).
- 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).
- Conrad, H., Narayan, J. On the grain size softening in nanocrystalline materials. Scripta Materialia. 42 (11), 1025-1030 (2000).
- Chen, J., Lu, L., Lu, K. Hardness and strain rate sensitivity of nanocrystalline Cu. Scripta Materialia. 54 (11), 1913-1918 (2006).
- Knapp, J. A., Follstaedt, D. M. Hall-Petch relationship in pulsed-laser deposited nickel films. Journal of Materials Research. 19 (1), 218-227 (2004).
- 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).
- Chen, B., et al. Texture of Nanocrystalline Nickel: Probing the lower size limit of dislocation activity. Science. 338 (6113), 1448-1451 (2012).
- Chen, M. W., et al. Deformation twinning in nanocrystalline aluminum. Science. 300 (5623), 1275-1277 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shan, Z. W., et al. Grain boundary-mediated plasticity in nanocrystalline nickel. Science. 305 (5684), 654-657 (2004).
- Li, H., et al. Strain-Dependent Deformation Behavior in Nanocrystalline Metals. Physical Review Letters. 101 (1), 015502 (2008).
- Van Swygenhoven, H., Derlet, P. M. Grain-boundary sliding in nanocrystalline fcc metals. Physical Review B. 64 (22), 224105 (2001).
- Ovid’ko, I. A. Deformation of nanostructures. Science. 295 (5564), 2386 (2002).
- 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).
- Wang, L., et al. Grain rotation mediated by grain boundary dislocations in nanocrystalline platinum. Nature Communications. 5, 4402 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yang, T., et al. Ultrahigh-strength and ductile superlattice alloys with nanoscale disordered interfaces. Science. 369 (6502), 427 (2020).
- 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).
- Yue, Y., et al. Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness. Nature. 582 (7812), 370-374 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, L. Y., et al. Processing and properties of magnesium containing a dense uniform dispersion of nanoparticles. Nature. 528 (7583), 539-543 (2015).
- Zhou, X., et al. High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals. Nature. 579 (7797), 67-72 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- Merkel, S., et al. Deformation of polycrystalline MgO at pressures of the lower mantle. Journal of Geophysical Research-Solid Earth. 107, 2271 (2002).
- 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).
- Van Swygenhoven, H., Derlet, P. M., Frøseth, A. G. Stacking fault energies and slip in nanocrystalline metals. Nature Materials. 3 (6), 399-403 (2004).
- Chung, H. Y., et al. Synthesis of ultra-incompressible superhard rhenium diboride at ambient pressure. Science. 316 (5823), 436-439 (2007).
- Jo, M., et al. Theory for plasticity of face-centered cubic metals. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (18), 6560 (2014).
- Klueh, R. L. Miniature tensile test specimens for fusion reactor irradiation studies. Nuclear Engineering and Design, Fusion. 2 (3), 407-416 (1985).
- 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).
- Yang, J., et al. Strength enhancement of nanocrystalline tungsten under high pressure. Matter and Radiation at Extremes. 5 (5), 058401 (2020).
- Chen, B. Exploring nanomechanics with high-pressure techniques. Matter and Radiation at Extremes. 5 (6), (2020).
