Mekaniska strukturer är bara lika bra som de material som de är gjorda av. I decennier har forskare studerat material från dessa strukturer för att se varför och hur de misslyckas. Innan katastrofalt misslyckande, det finns individuella sprickor eller dislokationer som bildas, som är signaler på att en struktur kan försvagas. Medan forskare har studerat individuella dislokationer tidigare, ett team från University of Illinois i Urbana-Champaign, University of Tennessee, och Oak Ridge National Laboratory har gjort det möjligt att förstå hur dislokationer organiserar och reagerar i nanoskala.

"Metaller är gjorda av polykristaller och kristallerna har atomer ordnade på ett ordnat sätt, "förklarade huvudförfattaren Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff professor i materialvetenskap och teknik och en filial vid Frederick Seitz Material Research Lab i Illinois. "När kraft tillämpas i dessa metaller, kristallen glider och rör sig mot varandra. En struktur som en bro kan ha många dislokationer, som kan röra sig, men rörelsemängden är så liten, det får ingen konsekvens. Dock, som tusentals eller tiotusentals dislokationer trasslar in i en metall, och de producerar lokal stress. Denna organisation kan leda till plötslig deformation, som en snöskred. Det är väldigt dramatiskt och mycket svårare att kontrollera."

Laget, som också inkluderar Illinois kondenserad materia fysiker Karin Dahmen, publicerade sina resultat i Kommunikationsfysik . Det experimentella arbetet utfördes av Dr. Yang Hu, som en del av sin doktorsavhandling.

Fram till denna studie kunde forskarna inte förstå mekanismen bakom dislokationsskred inom en struktur. Dock, Illinois -teamet fann att en rad dislokationer som hopade sig och bildade en damm för att förbjuda rörelse. Bakom dammen är trassliga dislokationer. När det finns tillräckligt med tryck, bildas en lavin som får dammen att ge vika och plötsliga rörelser från de trassliga dislokationerna, som försvagar metallen och kan så småningom leda till katastrofalt misslyckande. Genom att ha en bättre förståelse för denna process, denna studie lovar att hjälpa till att utveckla ännu starkare material i framtiden och att bättre förutsäga när en struktur kan vara i fara.

För att studera dislokationerna, som ser ut som strängar på så små som 10-9 meter i bredd, de följde utvecklingen av dislokationsskred i de komprimerade nanopilarna i en hög entropilegering (HEA). HEA har samma genomsnittliga struktur som koppar eller guld. Men atomerna är arrangerade på ett sådant sätt att forskarna kan göra samtidiga mätningar och för att korrelera dislokationsrörelse med mekanisk respons och precisera var lavinen inträffar. Genom att identifiera dislokationsbanden, forskare kan se vad som händer innan, under, och efter lavinen.

"Folk har förstått hur individuella dislokationer rör sig, men tills dess har de inte förstått hur de plötsligt rör sig tillsammans, "Zuo noterade." Vår innovation är att använda ett nytt material (HEA) för att studera ett mycket gammalt problem och att utveckla denna teknik för att göra det. "

Eftersom dislokationerna vanligtvis strukturerar sig med mikron från varandra (tänk nätverket av sprickor i ett islag efter att ha gått på det), det gör det svårt att identifiera en enda händelse genom att titta på dem i ett mikroskop som bara fungerar med tunna prover (inuti ett transmissionselektronmikroskop, provtjockleken är vanligtvis mindre än en mikron).

"I en konventionell metall, dislokationerna är för långt ifrån varandra än vad vi kan se på en gång, därför försvinner de på ytan "förklarade Zuo." Dessutom, en deformerad metall har massor av dislokationer, men bara några få som faktiskt är aktiva. På grund av det, vissa forskare har kommenterat när människor tittar på deformationen efteråt i metallen, det är som att besöka en dislokationskyrkogård. "

För att bevittna en fullständig enda lavin, Zuo och hans team behövde hitta ett material där dislokationen interagerar i mycket mindre skala. HEA är en ny typ av legering som består av fem olika metallelement (Al0.1CoCrFeNi). Eftersom varje metallatom har olika storlek och kristallen är förvrängd, det saktar ner dislokationen vilket gör det möjligt att lagra många dislokationer och en lavin inom en relativt liten volym.

Forskarna i Illinois kunde mäta dislokationen genom en teknik som kallas nanoindentation. De tar en bit HEA och använder en jonstråle för att tillverka en nanopillar och applicera kraften på nanopillar med en liten platt diamantspets av en nanoindenter.

"Detta material gör att vi kan titta på dislokationer på nanoskala (500 nanometer), sa Zuo, förklara processen. "Vi har ett mekaniskt labb som applicerar en kraft på ett testprov inuti ett elektronmikroskop. När spänningen appliceras, provet deformeras. När stress överstiger den stress som krävs för att dislokationen ska röra sig inuti nanopillar, dislokationen kommer att föröka sig. När dislokationen rör sig och möter ett motstånd, de saktar ner och trasslar ihop och bildar ett dislokationsband. Om du tänker på stressen som vattenflöde, då är förskjutningsskredet som en damm som går sönder och vatten plötsligt rinner ut. HEA gör observationen möjlig. "

Resultaten av processen är två mätningar - först en mekanisk mätning, vilket gör det möjligt för forskarna att studera hur mycket kraft det tar för dislokationerna att röra sig och hur mycket, och för det andra, elektronavbildning för att fånga dislokationsrörelsen i en video. Ingen studie har tidigare kunnat koppla ihop elektronbildning och mekanisk kraftmätning tillsammans för att studera förflyttning av laviner.

"Från tidigare ackumulerade studier, vi visste hur dislokationer uppstår och vi har kunnat studera vad som lämnades kvar, "Sade Zuo." Denna studie ger ett kritiskt svar på hur dislokationer samverkar. "

Zuo tillägger att denna typ av mätning kan användas för att utveckla teorier och beräkningsmodeller som kan användas för att förutsäga hur material kommer att bete sig under viss stress.

"Det är viktigt eftersom katastrofalt misslyckande börjar med denna typ av plötslig deformation, "Zuo sa." Vi kommer att kunna förutse åtgärden bättre innan det blir katastrofalt misslyckande. Det borde i sin tur leda till utvecklingen av mycket starkare material."

Denna studie sammanfaller med starka ansträngningar över hela Illinois campus för att använda HEA för kärnreaktor- och högtemperaturapplikationer.

"HEA är stabila vid höga temperaturer och kan ta emot mycket påfrestningar, "Sade Zuo." Om vi ​​förstår dislokationsstrukturen, det kommer att hjälpa till att utveckla material för mycket utmanande applikationer. "