Door micromechanische testen uit te voeren op eenkristallen van nikkel, ANSTO-materiaalonderzoekers waren in staat om de bulkeigenschappen van een polykristallijn materiaal af te leiden op een manier die nuttig is voor engineering.

Trekeigenschappen worden meestal geëxtraheerd uit computationele of geavanceerde wiskundige modellen na inkepingen of micro-cantilever-testen, wanneer het beschikbare materiaalvolume klein is, zoals in het geval van dunne film multilayers, met ionen bestraalde materialen en oppervlaktecoatings.

In een paper gepubliceerd in het International Journal of Plasticity, de onderzoekers onder leiding van ANSTO senior wetenschapper Dr. Dhriti Bhattacharyya rapporteerden de resultaten van in situ microtrektesten om de gecombineerde effecten van reksnelheid en oriëntatie op het vervormingsgedrag in eenkristallen van nikkel te evalueren.

"Hoewel bekend was dat verschillende oriëntaties verschillende sterke punten hebben, we wilden het spannings- / rekgedrag bepalen dat langs de ene of de andere richting van het kristal trekt en of de reksnelheid, of vervormingssnelheid, had verschillende effecten in verschillende richtingen, ' zei Bhattacharyya.

Spanningsgevoeligheid is een bekend fenomeen in macroscopische tests, maar wordt op microscopisch niveau niet goed begrepen, " hij zei.

Naast het bijdragen aan een fundamenteel begrip van mechanische vervorming op microscopische schaal, de potentiële kostenbesparing van het extrapoleren van macro-eigenschappen met behulp van monsters van micronformaat is aanzienlijk in vergelijking met standaardmonsters van millimeterformaat, die soms onmogelijk te verkrijgen zijn in het geval van dunne films en oppervlaktegemodificeerde materialen.

"We hebben voor trekproeven gekozen omdat, voor bijna alle materialen wil je weten hoe het materiaal onder spanning presteert, ' zei Bhattacharyya.

Ze ontdekten dat het langs specifieke oriëntaties van het kristal trekken een verschil maakt voor de uiteindelijke sterkte, vervormbaarheid en de manier waarop het kristal vervormd.

In polykristallijne materialen, omdat elke korrel een andere oriëntatie heeft, een soort middeling wordt gebruikt om de eigenschappen van het graan te bepalen

Bij deze experimenten het effect van reksnelheid en kristaloriëntatie werd gemeten in 10 monsters met een grootte van 12 micron.

Dr. Alan Xu trok de monsters met behulp van een ultramoderne micromechanische testmachine langs een richting loodrecht op het kubische vlak van de kristaleenheidscel (100) en langs de vlakdiagonaal van de eenheidscel (110) en mat de antwoord.

De oriëntaties werden gekozen vanwege de verwachting van meerdere slip op verschillende aantallen slipsystemen.

"We vonden verschillende gedragingen, zowel in termen van verplaatsing, hoe de vorm vervormt, maar ook in termen van de spanning/rek-curve, " zei Xu.

De verlenging van de [110] monsters (zoals hierboven afgebeeld in video) was bijna het dubbele van die van de [100] monsters.

De spannings-/rekcurve onthulde dat het [110]-georiënteerde monster een initiële spanningspiek vertoonde, gevolgd door verzachting, een vlakke bodem, een secundaire verharding en piek en uiteindelijk verzachting en falen.

"In dit voorbeeld het wegglijden gebeurt als het uitwaaieren van een stapel kaarten, ' zei Bhattacharyya.

Aangenomen wordt dat de dubbele piek in een spannings-/rekcurve een uniek fenomeen is.

De onderzoekers schreven dit toe aan een aanvankelijke slip door een reeks parallelle slipstappen over de hele lengte van de meter. Echter, zodra de vloeispanning werd verhoogd als gevolg van spanningsverharding op dit vlak, vergezeld van een rotatie van het kristal, een tweede slipsysteem op een ander vlak werd geactiveerd.

Het [100] georiënteerde monster glijdt aanvankelijk op ten minste twee verschillende vlakken (zoals afgebeeld in video hierboven); gevolgd door vier mogelijke slipsystemen. Geleidelijk meer slipstappen gevormd op meerdere slipvlakken rond het nekgebied om stress op te vangen en het monster brak op een mesrandachtige manier.

Om de oriëntatie van de kristallen te bepalen, werd een terugverstrooiingsdiffractie met elektronenbundels gebruikt.

"De mate waarin de kristallen afwijken van hun oorspronkelijke oriëntatie is een indicator van hoeveel het kristal zelf is gedraaid, " zei Xu.

"Trekking langs beide oriëntaties toonde aan dat de ductiliteit verdubbelt langs de gezichtsdiagonaal, wat interessant was, ' zei Bhattacharyya.

De kritische opgeloste schuifspanning (CRSS), dat is, de minimale schuifspanning die nodig is voor plastische vervorming langs een bepaald vlak, werd berekend uit de vloeispanning van de [100] en [110] georiënteerde monokristallijne monsters om respectievelijk ~73 MPa en ~63 MPa te zijn.

De kleine afwijking van deze waarden van de CRSS-waarden voor nikkel werd toegeschreven aan effecten als gevolg van verschil in grootte en initiële dislocatiedichtheid. Dislocatiedichtheid verwijst naar het aantal dislocaties in een eenheidsvolume van een kristallijn materiaal.

"Belangrijk, de berekende spanningsgevoeligheid bleek in dezelfde orde van grootte te zijn als macroscopische nikkelmonsters, ' zei Bhattacharyya.

ANSTO-materiaalonderzoeker Michael Saleh gebruikte Taylor's theorie van polykristallijne plasticiteit en de Hall-Petch-theorie van korrelgrensversterking met de stroomspanningsrekgegevens van de experimentele eenkristalmonsters om geschatte spanningsrekgevoeligheden voor polykristallen te verkrijgen.

"Er was een redelijke overeenkomst tussen de voorspelde stroomcurve en de experimentele curve, " zei Saleh, die een expert is in computermodellering.

"Als we de vloeispanning wilden krijgen voor een korrelgrootte van 100 micron, we kunnen dat doen door dit soort modellering met behulp van plasticiteitstheorie, omdat de respons op microschaal van enkele kristallen een aanvulling vormt op de respons op macroschaal."

De volgende fase van het onderzoek omvat het testen van met ionen bestraalde materialen onder vergelijkbare testomstandigheden.