JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Deutsch

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Bestimmung der mechanischen Festigkeit ultrafeinkörniger Metalle

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

Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt die Hochdruck-Radial-Diamant-Amboss-Zell-Experimente und die Analyse der damit verbundenen Daten, die für die Erzielung der mechanischen Festigkeit der Nanomaterialien mit einem signifikanten Durchbruch zum traditionellen Ansatz unerlässlich sind.

Abstract

Die mechanische Verstärkung von Metallen ist die langjährige Herausforderung und das beliebte Thema der Materialwissenschaften in Industrie und Wissenschaft. Die Größenabhängigkeit der Festigkeit der Nanometalle hat großes Interesse geweckt. Die Charakterisierung der Festigkeit von Materialien auf der unteren Nanometerskala war jedoch eine große Herausforderung, da die traditionellen Techniken nicht mehr effektiv und zuverlässig werden, wie Nano-Einrückung, Mikrosäulenkompression, Zugfestigkeit usw. Das aktuelle Protokoll verwendet radiale Diamant-Amboss-Zellen (rDAC) Röntgenbeugungstechniken (XRD), um differentielle Spannungsänderungen zu verfolgen und die Festigkeit ultrafeiner Metalle zu bestimmen. Es wird festgestellt, dass ultrafeine Nickelpartikel eine signifikantere Streckgrenze aufweisen als gröbere Partikel, und die Größenverstärkung von Nickel setzt sich bis auf 3 nm fort. Diese wichtige Erkenntnis hängt immens von effektiven und zuverlässigen Charakterisierungstechniken ab. Es wird erwartet, dass die rDAC XRD-Methode eine bedeutende Rolle bei der Untersuchung und Erforschung der Nanomaterialmechanik spielen wird.

Introduction

Die Beständigkeit gegen plastische Verformung bestimmt die Festigkeit der Materialien. Die Festigkeit der Metalle steigt in der Regel mit den abnehmenden Korngrößen. Dieses Phänomen der Größenstärkung kann gut durch die traditionelle Hall-Petch-Beziehungstheorie vom Millimeter- bis zum Submikron-Regime1,2 veranschaulicht werden, die auf dem dislokationsvermittelten Verformungsmechanismus von massengroßen Metallen basiert, d.h. Versetzungen häufen sich an Korngrenzen (GBs) an und behindern ihre Bewegungen, was zur mechanischen Verstärkung in Metallen führt 3,4.

Im Gegensatz dazu wurde in den letzten zwei Jahrzehnten eine mechanische Erweichung, die oft als inverse Hall-Petch-Beziehung bezeichnet wird, für feine Nanometalle berichtet 5,6,7,8,9,10. Daher ist die Festigkeit der Nanometalle immer noch rätselhaft, da eine kontinuierliche Härtung für Korngrößen bis hinunter zu ~ 10 nm 11,12 festgestellt wurde, während die Fälle von Größenerweichung unter 10 nm auch 7,8,9,10 gemeldet wurden. Die Hauptschwierigkeit oder Herausforderung für dieses diskutierte Thema besteht darin, statistisch reproduzierbare Messungen der mechanischen Eigenschaften ultrafeiner Nanometalle durchzuführen und eine zuverlässige Korrelation zwischen der Festigkeit und der Korngröße der Nanometalle herzustellen. Ein weiterer Teil der Schwierigkeit ergibt sich aus der Mehrdeutigkeit der plastischen Verformungsmechanismen der Nanometalle. Es wurden verschiedene Defekte oder Prozesse im Nanobereich berichtet, darunter Versetzungen 13,14, Verformungspartnerschaften15,16,17, Stapelfehler 15,18, GB-Migration 19, GB-Gleiten 5,6,20,21, Kornrotation22,23,24, Atombindungsparameter25,26,27,28 usw. Welche jedoch die plastische Verformung dominiert und damit die Festigkeit von Nanometallen bestimmt, ist noch unklar.

Für diese oben genannten Probleme sind traditionelle Ansätze der mechanischen Festigkeitsprüfung, wie Zugversuch29, Vickers-Härtetest 30,31, Nano-Eindringtest 32, Mikrosäulenkompression33,34,35 usw., weniger effektiv, da die hohe Qualität großer Stücke nanostrukturierter Materialien so schwer herzustellen ist und herkömmliche Eindringkörper viel größer sind als einzelne Nanopartikel von Materialien (für die B. Einzelteilchenmechanik). In dieser Studie führen wir radiale DAC XRD-Techniken36,37,38 in die Materialwissenschaften ein, um in situ die Fließspannung und Deformationstexturierung von Nanonickel verschiedener Korngrößen zu verfolgen, die in früheren Studien im Bereich der Geowissenschaften verwendet werden. Es wurde festgestellt, dass die mechanische Verstärkung auf bis zu 3 nm ausgedehnt werden kann, viel kleiner als die zuvor berichteten größten Größen von Nanometallen, was das Regime der konventionellen Hall-Petch-Beziehung erweitert, was die Bedeutung der rDAC XRD-Techniken für die Materialwissenschaft impliziert.

Protocol

1. Probenvorbereitung Erhalten Sie 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm und 500 nm Nickelpulver aus kommerziellen Quellen (siehe Materialtabelle). Die morphologische Charakterisierung ist in Abbildung 1 dargestellt. Bereiten Sie 8 nm Nickelpartikel vor, indem Sie 3 nm Nickelpartikel mit einem Reaktionskessel erhitzen (siehe Materialtabelle). Geben Sie ~ 20 ml absolutes Ethanol und ~ 50 mg 3 nm Nickelpulver in…

Representative Results

Bei hydrostatischer Kompression sollten ungerollte Röntgenbeugungslinien gerade und nicht gekrümmt sein. Unter nicht-hydrostatischem Druck erhöht jedoch die Krümmung (Ellipsizität der XRD-Ringe, die sich in der Nichtlinearität der entlang des Azimutwinkels aufgetragenen Linien niederschlägt) das ultrafeinkörnige Nickel bei ähnlichen Drücken signifikant an (Abbildung 4). Bei einem ähnlichen Druck ist die Differenzdehnung des 3 nm großen Nickels am höchsten. Die Ergebnisse der mec…

Discussion

Computersimulationen wurden häufig eingesetzt, um den Korngrößeneffekt auf die Stärke von Nanometallen 5,6,16,17,27,42 zu untersuchen. Es wurde vorgeschlagen, dass perfekte Versetzungen, Teilversetzungen und GB-Verformungen eine entscheidende Rolle bei den Verformungsmechanismen der Nanomaterialien spielen. In einer Molek…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken der Unterstützung der National Natural Science Foundation of China (NSFC) unter den Fördernummern 11621062, 11772294, U1530402 und 11811530001. Diese Forschung wurde teilweise auch von der China Postdoctoral Science Foundation (2021M690044) unterstützt. Diese Forschung nutzte die Ressourcen der Advanced Light Source, einer DOE Office of Science User Facility unter der Vertragsnummer DE-AC02-05CH11231, und der Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Diese Forschung wurde teilweise von COMPRES, dem Konsortium für Materialeigenschaftsforschung in den Geowissenschaften im Rahmen der NSF-Kooperationsvereinbarung EAR 1606856, unterstützt.

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