Genom att utföra mikromekaniska tester på enkristaller av nickel, ANSTO materialforskare kunde härleda bulkegenskaperna hos ett polykristallint material på ett sätt som är användbart för ingenjörskonst.

Dragegenskaper extraheras vanligtvis från beräkningsmässiga eller sofistikerade matematiska modeller efter indragning eller mikro-cantilever-testning, när den tillgängliga materialvolymen är liten - som i fallet med tunnfilmsflerskikt, jonbestrålade material och ytbeläggningar.

I en artikel publicerad i International Journal of Plasticity, utredarna ledda av ANSTO senior forskare Dr. Dhriti Bhattacharyya rapporterade resultaten av in situ mikro-dragprovning för att utvärdera de kombinerade effekterna av töjningshastighet och orientering på deformationsbeteende i enkristaller av nickel.

"Även om olika inriktningar var kända för att ha olika styrkor, vi ville bestämma spännings-/töjningsbeteendet som drar längs en eller annan riktning av kristallen och om töjningshastigheten, eller deformationshastighet, hade olika effekter i olika riktningar, sa Bhattacharyya.

Töjningshastighetskänslighet är ett välkänt fenomen i makroskopiska tester men det är inte väl förstått på mikroskopisk nivå, " han sa.

Förutom att bidra till en grundläggande förståelse av mekanisk deformation i mikroskopisk skala, den potentiella kostnadsbesparingen med att extrapolera makroegenskaper med hjälp av mikronstora prover är betydande jämfört med millimeterstora standardprover, som ibland är omöjliga att få när det gäller tunna filmer och ytmodifierade material.

"Vi valde dragprovning eftersom för nästan alla material vill du veta hur materialet presterar under spänning, sa Bhattacharyya.

De fann att att dra längs specifika orienteringar av kristallen gör skillnad för den ultimata styrkan, duktilitet och det sätt på vilket kristallen deformerades.

I polykristallina material, eftersom varje korn har en annan orientering, någon form av medelvärde används för att bestämma spannmålens egenskaper

I dessa experiment, effekten av töjningshastighet och kristallorientering mättes i 10 prover med 12 mikron storlek.

Dr. Alan Xu tog proverna med hjälp av en toppmodern mikromekanisk testmaskin längs en riktning vinkelrät mot den kubiska ytan av kristallenhetscellen (100) och längs ytans diagonal av enhetscellen (110) och mätte svar.

Orienteringarna valdes på grund av förväntan om flera glidningar på olika antal glidsystem.

"Vi hittade olika beteenden både när det gäller förskjutningen, hur formen deformeras, men också när det gäller stress/töjningskurvan, " sa Xu.

Förlängningen av [110] proverna (som avbildats ovan i videon) var nästan dubbelt så stor som för [100] proverna.

Spännings/töjningskurvan avslöjade att det [110] orienterade provet uppvisade en initial spänningstopp, följt av uppmjukning, en dal med platt botten, en sekundär härdning och topp och slutligen uppmjukning och brott.

"I detta exempel, glidningen sker som att fläkta ut ur en bunt kort, sa Bhattacharyya.

Den dubbla toppen i en spännings-/töjningskurva tros vara ett unikt fenomen.

Utredarna tillskrev detta till en initial glidning genom en serie parallella glidsteg längs hela mätlängden. Dock, när flödesspänningen ökades på grund av töjningshärdning på detta plan, åtföljd av en rotation av kristallen, ett andra glidsystem på ett annat plan aktiverades.

Det [100] orienterade provet glider på åtminstone två olika plan initialt (som avbildas i videon ovan); följt av fyra möjliga glidsystem. Progressivt fler glidsteg bildas på flera glidplan runt det halsade området för att ta emot spänningar och provet bröts på ett kniveggsliknande sätt.

Elektronstrålebakåtspridningsdiffraktion användes för att identifiera orienteringen av kristallerna.

"Omfattningen kristallerna avviker från sin ursprungliga orientering är en indikator på hur mycket själva kristallen har roterat, " sa Xu.

"Att dra längs båda orienteringarna visade att duktiliteten ökade dubbelt längs diagonalen i ansiktet, vilket var intressant, sa Bhattacharyya.

Den kritiska upplösta skjuvspänningen (CRSS), det är, den minsta skjuvspänning som krävs för plastisk deformation längs ett visst plan, beräknades från sträckgränsen för de [100] och [110] orienterade enkristallproverna till att vara ~73 MPa respektive ~63 MPa.

Den lilla avvikelsen mellan dessa värden från CRSS-värdena för nickel ansågs bero på effekter på grund av skillnad i storlek och initial dislokationstäthet. Dislokationsdensitet hänvisar till antalet dislokationer i en volymenhet av ett kristallint material.

"Viktigt, den beräknade töjningshastighetskänsligheten visade sig vara i samma storleksordning som makroskopiska prover av nickel, sa Bhattacharyya.

ANSTO-materialforskaren Michael Saleh använde Taylors teori om polykristallplasticitet och Hall-Petch-teorin om korngränsförstärkning med flödesspänningstöjningsdata från de experimentella enkristallproverna för att erhålla ungefärliga spänningstöjningskänsligheter för polykristaller.

"Det var rimlig överensstämmelse mellan den förutsagda flödeskurvan och den experimentella kurvan, sa Saleh, som är expert på datormodellering.

"Om vi ​​ville få flödesspänningen för en kornstorlek på 100 mikron, vi kan göra det genom den här typen av modellering med plasticitetsteori, eftersom mikroskalesvaret för enkristaller kompletterar makroskalesvaret."

Nästa steg i forskningen kommer att involvera testning av jonbestrålade material under liknande testförhållanden.