science >> Wetenschap >  >> Chemie

Een 70-jarige benadering van het voorspellen van de microstructuur van materialen weerleggen

De donkerblauwe arcering vertegenwoordigt een grens die twee korrels scheidt; als de grens beweegt, worden sommige elementen die bij korrel m horen, onderdeel van korrel n. Krediet:College of Engineering, Carnegie Mellon Universiteit

Een 70 jaar oud model dat werd gebruikt om de microstructuur van materialen te voorspellen, werkt niet voor de materialen van vandaag. zeggen onderzoekers van Carnegie Mellon University in Wetenschap . Een microscopietechniek ontwikkeld door Carnegie Mellon en Argonne National Laboratory levert bewijs op dat in tegenspraak is met het conventionele model en wijst de weg naar het gebruik van nieuwe soorten karakteriseringen om eigenschappen - en dus de veiligheid en duurzaamheid op lange termijn - van nieuwe materialen te voorspellen.

Als een metallurg een legering ontdekte die de prestaties van een vliegtuig drastisch zou kunnen verbeteren, het kan wel twintig jaar duren voordat een passagier in een vliegtuig van die legering kan stappen. Zonder te voorspellen hoe een materiaal zal veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan de stressfactoren van verwerking of dagelijks gebruik, onderzoekers gebruiken vallen en opstaan ​​​​om de veiligheid en duurzaamheid van een materiaal vast te stellen. Dit langdurige proces is een belangrijk knelpunt voor materiaalinnovatie.

Hoogleraren Gregory Rohrer en Robert Suter van Carnegie Mellon University's Department of Materials Science and Engineering en Department of Physics hebben nieuwe informatie ontdekt die materiaalwetenschappers zal helpen te voorspellen hoe de eigenschappen van materialen veranderen als reactie op stressoren zoals verhoogde temperaturen. Met behulp van near-field hoge-energiediffractiemicroscopie (HEDM), ze ontdekten dat het gevestigde model voor het voorspellen van de microstructuur en eigenschappen van een materiaal niet van toepassing is op polykristallijne materialen en dat er een nieuw model nodig is.

Voor het oog, meest gebruikte metalen, legeringen en keramiek die worden gebruikt in industriële en consumentenapparatuur en producten lijken uniform solide te zijn. Maar op microscopisch niveau ze zijn polykristallijn, samengesteld uit aggregaten van korrels van verschillende grootte, vormen en kristaloriëntaties. De korrels zijn aan elkaar gebonden door een netwerk van korrelgrenzen die verschuiven wanneer ze worden blootgesteld aan stressoren, het veranderen van de eigenschappen van het materiaal.

Als ze een nieuw materiaal maken, wetenschappers moeten de microstructuur controleren, die de korrelgrenzen omvat. Materiaalwetenschappers manipuleren de dichtheid van korrelgrenzen om aan verschillende behoeften te voldoen. Bijvoorbeeld, de structuur rond de passagierscabine in een auto is gemaakt van ultrasterk staal dat meer korrelgrenzen bevat dan de esthetische carrosseriepanelen in de kreukelzone aan de voorkant van de auto.

De laatste 70 jaar, onderzoekers hebben het gedrag van materialen voorspeld met behulp van een theorie die zegt dat de snelheid waarmee korrelgrenzen door een verwarmd materiaal bewegen, gecorreleerd is met de vorm van de grens. Rohrer en Suter hebben aangetoond dat deze theorie, geformuleerd om het meest ideale geval te beschrijven, is niet van toepassing op echte polykristallen.

Hoge-energiediffractiemicroscopiebeelden van korrelgrenssnelheden en krommingen en berekende mobiliteiten. De snelheden correleren niet met de andere eigenschappen. Krediet:College of Engineering, Carnegie Mellon Universiteit

Polykristallen zijn ingewikkelder dan de ideale gevallen die in het verleden zijn bestudeerd. Rohrer legde uit, "Als men een enkele korrelgrens in een kristal beschouwt, het kan zonder onderbreking bewegen, als een auto die over een lege weg rijdt. In polykristallen is elke korrelgrens verbonden met, gemiddeld, tien anderen, dus het is alsof die auto het verkeer raakt - hij kan niet meer zo vrij bewegen. Daarom, dit model houdt het niet meer." Rohrer en Suter ontdekten dat polykristallijne korrelgrenzen vaak niet eens in de richting bewogen die het model had voorspeld.

HEDM, een techniek die werd ontwikkeld door Suter en collega's met behulp van de Advanced Photon Source (APS) van het Argonne National Laboratory, was de sleutel tot deze ontdekkingen. HEDM en de bijbehorende technieken stellen onderzoekers in staat om duizenden kristallen op een niet-destructieve manier in beeld te brengen en hun oriëntaties in ondoorzichtige metalen en keramiek te meten. De techniek vereist röntgenstralen met hoge energie die alleen beschikbaar zijn bij een van de weinige synchrotronbronnen over de hele wereld.

"Het is alsof je 3D-röntgenvisie hebt, "zei Suter. "Vroeger, je zou niet naar de korrels van een materiaal kunnen kijken zonder het uit elkaar te knippen. HEDM stelt ons in staat om op een niet-invasieve manier de oriëntaties en grenzen van de korrel te bekijken terwijl ze in de loop van de tijd evolueren."

De ontwikkeling van HEDM begon ongeveer 20 jaar geleden en gaat door tot op de dag van vandaag. Suter's groep werkte samen met wetenschappers van APS om procedures te ontwikkelen voor de gesynchroniseerde verzameling van duizenden afbeeldingen van röntgendiffractiepatronen van een materiaalmonster terwijl het precisierotatie ondergaat in een intense invallende bundel. Hoogwaardige computercodes ontwikkeld door Suter's onderzoeksgroep zetten de reeksen afbeeldingen om in driedimensionale kaarten van de kristallijne korrels waaruit de materiële microstructuur bestaat.

Tien jaar geleden, Suter's groep (inclusief afgestudeerde natuurkundestudenten Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, en Jon Lind) hebben herhaaldelijk een nikkelmonster gemeten na opeenvolgende behandelingen bij hoge temperatuur, wat resulteerde in de eerste waarnemingen van individuele korrelgrensbewegingen. Deze bewegingen vertoonden niet het systematische gedrag dat werd voorspeld door de 70 jaar oude theorie. Het standpunt ontwikkeld door de Carnegie Mellon-onderzoekers in de Science-paper correleert korrelgrensstructuur met systematisch gedrag waargenomen in de HEDM-experimentele gegevens.

Hoewel de huidige analyse is gebaseerd op één materiaal, nikkel, Röntgendiffractiemicroscopie wordt op veel materialen gebruikt en Rohrer en Suter geloven dat veel van die materialen hetzelfde gedrag vertonen als nikkel. Soortgelijke toepassingen voor andere materiaalverwerkingsomstandigheden worden ook bestudeerd.

Dit onderzoek werd gefinancierd door het Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future-programma (DRMEF) van de National Science Foundation. De vierjarige beurs van het team werd met ingang van 1 oktober verlengd voor $ 1,8 miljoen dollar. 2021. Carnegie Mellons Kaushik Dayal, Afdeling Civiele en Milieutechniek, Elizabeth Holm, Afdeling Materials Science and Engineering, en David Kinderlehrer, Departement Wiskundige Wetenschappen zal ook betrokken zijn bij de volgende stappen van het onderzoek naar hoe en waarom polykristallen zich op deze manier gedragen in verschillende materialen. Hoogleraren Carl Krill (Universiteit van Ulm, Duitsland) en Amanda Krause (Universiteit van Florida) maken ook deel uit van de samenwerking.