Metalen met kristalkorrels op nanoschaal zijn supersterk, hoewel ze bij hogere temperaturen hun structuur niet behouden. Als resultaat, het is een uitdaging om hun hoge sterkte te onderzoeken tijdens materiaaltoepassingen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Wetenschap , X. Y. Li en een team van wetenschappers in materiaalkunde en techniek aan de Chinese Academie van Wetenschappen en Shanghai Jiaotong University in China, vond een minimale interface-structuur in koper (Cu) met korrels van 10 nanometer, die ze combineerden met een nanograin kristallografisch twinning-netwerk om een ​​hoge sterkte te behouden bij temperaturen net onder het smeltpunt. De ontdekking bood een ander pad om gestabiliseerde metalen met nanokorrels te verkrijgen voor toepassingen in de metallurgie en materiaaltechniek.

De sterkte op nanoschaal vastzetten

Metalen bestaan ​​​​als polykristallijne vaste stoffen die thermodynamisch onstabiel zijn vanwege hun ongeordende korrelgrenzen (GB) en hebben de neiging stabieler te zijn wanneer korrelgrenzen worden geëlimineerd om uiteindelijk eenkristallen te vormen. Met behulp van experimenten en moleculaire dynamische simulaties Li et al. ontdekte een ander type metastabiele toestand voor extreem fijnkorrelig polykristallijn puur koper (Cu). Voor fijnkorrelige polykristallen met een voldoende hoge korrelgrensdichtheid, transformatie naar een metastabiele amorfe toestand is een alternatieve optie voor stabilisatie en wordt verwacht vanuit een thermodynamisch oogpunt. Zulke amorfe toestanden, echter, zelden vormen voor de meeste metaallegeringen en zuivere metalen onder conventionele omstandigheden, daarom moet nog worden begrepen of andere metastabiele structuren kunnen worden aangenomen wanneer polykristallijne korrels gestaag worden verfijnd tot extreem kleine schaal.

Een metastabiele toestand op nanoschaal

Bijvoorbeeld, wanneer korrels van koper (Cu) en nikkel (Ni) door plastische vervorming worden verfijnd tot enkele tientallen nanometers, het proces kan de autonome korrelgrensrelaxatie in lage-energietoestanden met korrelgrensdissociaties teweegbrengen. Nanokorrelige structuren kunnen daarom evolueren naar stabielere toestanden door het uiterste van de korrelgrootte te benaderen. Met behulp van experimentele en moleculaire dynamica (MD) simulaties, Li et al. ontdekte een metastabiele toestand in polykristallijn zuiver Cu met korrelgroottes van enkele nanometers, gevormd door de evolutie van korrelgrenzen in driedimensionale (3-D) minimale interfacestructuren beperkt via dubbele grensnetwerken.

Tijdens de experimenten, het team gebruikte een tweestaps plastisch vervormingsproces van mechanische oppervlakteslijpbehandeling en hogedruktorsie in vloeibare stikstof om korrels van polykristallijn koper te verfijnen met een zuiverheid van 99,97 gewichtspercentage op nanoschaal. Met behulp van helderveldtransmissie-elektronenmicroscopie, Li et al. verkregen beelden van de uiterst fijne korrels, waar het monster verscheen als onregelmatige aggregaten of kettingen die met elkaar verbonden waren om continue netwerken te vormen. De aggregaten waren gemaakt van verschillende individuele korrels van enkele nanometers groot. De kleine kristallieten waren met elkaar verbonden via atomair dunne grenzen en het team ontdekte geen amorfe fasen of poriën.

Karakterisering van de granen

Li et al. karakteriseerde de individuele korrels van het materiaal door de specimens onder hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie te kantelen om hun roosterbeelden op te lossen en identificeerde diverse geometrieën voor veel individuele korrels. De vormen van de korrels leken op een afgeknotte octaëder; een gunstige optie voor korrels kleiner dan 10 nanometer. Het team bepaalde de thermische stabiliteit van bereide Cu-monsters met een gemiddelde korrelgrootte van 10 nm door middel van isotherme annealing bij verschillende temperaturen. Li et al. ontdekte meer tweelingen in de gegloeide korrels, mogelijk als gevolg van verdere dissociatie van korrelgrenzen tijdens gloeien bij verhoogde temperaturen. Door de temperaturen boven 1357 K te verhogen, de wetenschappers veroorzaakten smelten, op dat moment verdwenen alle nanokorrels.

Vervolgens maakten ze een ander monster met grotere korrels ter vergelijking met hetzelfde proces, maar met een kleinere belasting. De waarnemingen ondersteunden het idee dat korrelgrensrelaxaties in polykristallen met kleinere korrelgrootte de stabiliteit zullen verbeteren. Met behulp van nano-indentatie-experimenten, ze merkten een ongebruikelijke stabiliteit op voor de extreem goed geraffineerde korrels in de polykristallijne structuur.

Het team zette vervolgens een atomistisch model op om de uitstekende stabiliteit van de extreem fijne Cu-korrels te onderzoeken. Om dit te bereiken, ze construeerden een verlengde Kelvin-supercel in verwijzing naar het Kelvin-model, met 16 afgeknotte octaëdervormige korrels van gelijke grootte en herkende de fundamentele kenmerken van korrelgrensnetwerken. Het team koos voor de eenvoud ook een verlengd Kelvin-polykristal met een initiële korrelgrootte van 3,27 nm als startstructuur en voerde MD-simulaties (moleculaire dynamica) uit om het monster te ontspannen door het op verschillende doeltemperaturen op te warmen. Tijdens moleculaire dynamische relaxatie en daaropvolgende verwarming, de korrelgrenzen in het uitgebreide Kelvin-polykristal veranderden door verschillende gebeurtenissen in verschillende structuren.

Terwijl sommige korrels kromp en uiteindelijk verdwenen bij verhitting als gevolg van migratie van de korrelgrens, het hele korrelgrensnetwerk stortte niet in, in plaats daarvan fuseren en ontwikkelen zich tot verschillende vormen om topologisch op het Schwarz D-oppervlak te lijken (oppervlakken periodiek in drie dimensies). Volgens de MD-resultaten, de transformatie was thermodynamisch gedreven. Aanvullend, de polykristallijne structuur met Schwarz D-interfaces was stabieler dan Kelvin-polykristallen.

De rol van de Schwarz D-structuur

De in dit werk verkregen Schwarz D-structuur bleef stabiel bij verhoogde temperaturen. In plaats van grover te maken, korrelgrensverruwing trad op naarmate het smeltpunt naderde; op welk punt de vloeibare fase heterogeen werd genucleëerd bij 1321 K, wat suggereert dat de bovenste thermische stabiliteit kinetisch wordt beperkt door het smelten van de korrelgrens. Het team voerde uniaxiale trekbelastingstests uit op de coherente dubbele grens (CTB)-beperkte Schwarz D-structuur bij verschillende temperaturen en spanningen. Ze schreven de primaire wijze van waargenomen vervorming toe aan twinning en de kritische spanning die overeenkomt met beginnende twinning was temperatuurafhankelijk.

Vooruitzichten voor het Schwarz-kristal in materiaalontwikkeling

Op deze manier, gebaseerd op experimenten en MD-simulaties, X. Y. Li en collega's bevestigden het vermogen om uitgesproken stabiliteit te bereiken in polykristallijn koper (Cu) met korrels van nanogrootte. Ze verwezen naar de waargenomen structuur als een Schwarz-kristal - een ander type metastabiele toestand voor polykristallijne vaste stoffen, die fundamenteel verschilden van de amorfe vaste toestanden. Het uiterlijk van het Schwarz-kristal wordt verwacht in verschillende metalen en legeringen door de activering van twinning-mechanismen op nanoschaal. Het zuivere Cu Schwarz-kristal bevatte een zeer hoge dichtheid aan grensvlakken en vertoonde een thermische stabiliteit zo hoog als die van een enkel kristal, en veel hoger dan amorfe vaste stoffen.

De structuur zal nieuwe mogelijkheden bieden om fysische en chemische fenomenen van metalen te onderzoeken met betrekking tot de transportdynamiek van atomen en elektronen op grensvlakken en tijdens defectinteracties bij hoge temperaturen in de materiaalkunde. Het Schwarz-kristal zorgde voor verhoogde stabiliteit en sterkte met korrels die op uiterst fijne schaal werden verfijnd. Het werk zal helpen bij het overwinnen van problemen die zich voordoen bij traditionele strategieën voor materiaalontwikkeling. Het Schwarz-kristal moet toegankelijk zijn in andere materialen, ook, om een ​​andere richting te geven om sterke en stabiele materialen voor toepassingen op hoge temperatuur te ontwikkelen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk