Mechanische constructies zijn zo solide als de materialen waaruit ze zijn gemaakt. Decennialang hebben onderzoekers materialen van deze structuren bestudeerd om te zien waarom en hoe ze falen. Vóór een catastrofale mislukking, er zijn individuele scheuren of dislocaties die zich vormen, die signalen zijn dat een structuur kan verzwakken. Hoewel onderzoekers in het verleden individuele dislocaties hebben bestudeerd, een team van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, de Universiteit van Tennessee, en Oak Ridge National Laboratory heeft het mogelijk gemaakt om te begrijpen hoe dislocaties zich organiseren en reageren op nanoschaal.

"Metalen zijn gemaakt van polykristallen en de kristallen hebben atomen die op een ordelijke manier zijn gerangschikt, " verklaarde hoofdauteur Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff Professor of Materials Science and Engineering en verbonden aan het Frederick Seitz Materials Research Lab in Illinois. "Als er kracht wordt uitgeoefend op deze metalen, het kristal zal glijden en tegen elkaar bewegen. Een structuur zoals een brug kan veel dislocaties hebben, die kan bewegen, maar de hoeveelheid beweging is zo klein, het heeft geen gevolg. Echter, als duizenden of tienduizenden dislocaties in een metaal verstrikt raken, en ze produceren lokale stress. Deze organisatie kan leiden tot plotselinge vervorming, als een sneeuwlawine. Dat is heel dramatisch en veel moeilijker te controleren."

Het team, waaronder ook de gecondenseerde materie-fysicus Karin Dahmen uit Illinois, publiceerde zijn resultaten in Communicatie Fysica . Het experimentele werk werd gedaan door Dr. Yang Hu, als onderdeel van zijn proefschrift.

Tot deze studie konden onderzoekers het mechanisme achter dislocatielawine binnen een structuur niet begrijpen. Echter, het Illinois-team ontdekte dat een reeks dislocaties zich opstapelden en een dam vormden om beweging te verbieden. Achter de dam zijn verwarde dislocaties. Zodra er voldoende druk is, een lawine vormt waardoor de dam bezwijkt en plotselinge beweging van de verwarde dislocaties, wat het metaal verzwakt en uiteindelijk kan leiden tot een catastrofale mislukking. Door dit proces beter te begrijpen, deze studie belooft in de toekomst te helpen bij het ontwikkelen van nog sterkere materialen en om beter te voorspellen wanneer een structuur in gevaar kan komen.

Om de dislocaties te bestuderen, die eruitzien als snaren van slechts 10-9 meter breed, ze volgden de ontwikkeling van de dislocatielawines in de gecomprimeerde nanopilaren van een hoge entropielegering (HEA). De HEA heeft dezelfde gemiddelde structuur als koper of goud. Maar de atomen zijn zo gerangschikt dat de onderzoekers gelijktijdig metingen kunnen doen en dislocatiebeweging kunnen correleren met mechanische respons en precies kunnen bepalen waar de lawine plaatsvindt. Door de dislocatiebanden te identificeren, onderzoekers kunnen zien wat er vooraf gebeurt, gedurende, en na de lawine.

"Mensen hebben begrepen hoe individuele dislocaties bewegen, maar tot nu toe hebben ze niet begrepen hoe ze plotseling samen bewegen, Zuo merkte op. "Onze innovatie is om een ​​nieuw materiaal (de HEA) te gebruiken om een ​​heel oud probleem te bestuderen en om deze techniek te ontwikkelen om dit te doen."

Omdat de dislocaties zichzelf meestal op microns van elkaar structureren (denk aan het netwerk van scheuren in een ijslaag nadat je erop hebt gelopen), het maakt het moeilijk om een ​​enkele gebeurtenis te lokaliseren door ze te bekijken in een microscoop die alleen werkt met dunne monsters (in een transmissie-elektronenmicroscoop, de monsterdikte is typisch minder dan een micron).

"In een conventioneel metaal, de dislocaties zijn te ver uit elkaar dan we in één keer kunnen zien, daarom verdwijnen ze aan de oppervlakte", legde Zuo uit. een vervormd metaal heeft trossen dislocaties, maar slechts een paar die daadwerkelijk actief zijn. Daarom, sommige geleerden hebben opgemerkt dat wanneer mensen achteraf naar de vervorming in het metaal kijken, het is alsof je een dislocatiekerkhof bezoekt."

Om getuige te zijn van een complete enkele lawine, Zuo en zijn team moesten een materiaal vinden waarin de dislocatie op veel kleinere schaal op elkaar inwerkt. De HEA is een nieuw type legering bestaande uit vijf verschillende metalen elementen (Al0.1CoCrFeNi). Omdat elk metaalatoom een ​​andere grootte heeft en het kristal vervormd is, het vertraagt ​​de dislocatie waardoor het mogelijk is om veel dislocaties en een lawine op te slaan in een relatief klein volume.

De onderzoekers uit Illinois konden de dislocatie meten door middel van een techniek die nano-indentatie wordt genoemd. Ze nemen een stuk HEA en gebruiken een ionenstraal om een ​​nanopilaar te fabriceren en oefenen de kracht op de nanopilaar uit met een kleine platte diamantpunt van een nano-indenter.

"Met dit materiaal kunnen we dislocaties op nanoschaal (500 nanometer) bekijken, " zei Zuo, het proces uitleggen. "We hebben een mechanisch laboratorium dat kracht uitoefent op een testmonster in een elektronenmicroscoop. Terwijl de spanning wordt uitgeoefend, het monster vervormt. Wanneer de spanning groter is dan de spanning die nodig is om de dislocatie in de nanopilaar te laten bewegen, de dislocatie zal zich vermenigvuldigen. Terwijl de dislocatie beweegt en weerstand ondervindt, ze vertragen en raken in elkaar verstrikt en vormen een dislocatieband. Als je aan stress denkt als waterstroom, dan is de dislocatielawine als een dam die breekt en het water plotseling opraakt. De HEA maakt de observatie mogelijk. "

De resultaten van het proces zijn twee metingen:eerst een mechanische meting, waarmee de onderzoekers kunnen bestuderen hoeveel kracht de dislocaties nodig hebben om te bewegen en met hoeveel, en ten tweede, elektronenbeeldvorming om de dislocatiebeweging in een video vast te leggen. Geen enkele studie is eerder in staat geweest om elektronenbeeldvorming en mechanische krachtmeting aan elkaar te koppelen om dislocatielawines te bestuderen.

"Uit eerdere cumulatieve studies, we wisten hoe dislocaties ontstaan ​​en we hebben kunnen bestuderen wat er is achtergebleven, "Zei Zuo. "Deze studie biedt een kritisch antwoord op hoe dislocaties op elkaar inwerken."

Zuo voegt eraan toe dat dit soort metingen kan worden gebruikt om theorie en rekenmodellen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt om te voorspellen hoe materialen zich onder bepaalde spanning zullen gedragen.

"Dat is belangrijk omdat catastrofaal falen begint met dit soort plotselinge vervorming, "Zei Zuo. "We zullen de actie beter kunnen voorspellen voordat er een catastrofale mislukking is. Dat moet op zijn beurt leiden tot de ontwikkeling van veel sterkere materialen."

Deze studie valt samen met sterke inspanningen op de campus van Illinois om HEA te gebruiken voor kernreactoren en toepassingen bij hoge temperaturen.

"HEA's zijn stabiel bij hoge temperaturen en kunnen veel belasting opvangen, Zuo zei. "Als we de dislocatiestructuur begrijpen, het zal helpen om materialen te ontwikkelen voor zeer uitdagende toepassingen."