Metaller med nanoskala kristallkorn är superstarka även om de inte behåller sin struktur vid högre temperaturer. Som ett resultat, det är utmanande att utforska deras höga hållfasthet under materialapplikationer. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskap , X. Y. Li och ett team av forskare inom materialvetenskap och ingenjörskonst vid den kinesiska vetenskapsakademin och Shanghai Jiaotong University i Kina, hittade en minimal-gränssnittsstruktur i koppar (Cu) med 10 nanometer stora korn, som de kombinerade med ett nanokorn kristallografiskt tvillingnätverk för att bibehålla hög hållfasthet vid temperaturer strax under smältpunkten. Upptäckten gav en annan väg för att erhålla stabiliserade nanokornade metaller för metallurgi och materialtekniska tillämpningar.

Låsning av styrkan i nanoskala

Metaller existerar som polykristallina fasta ämnen som är termodynamiskt instabila på grund av sina oordnade korngränser (GB) och tenderar att vara mer stabila när korngränser elimineras för att slutligen bilda enkristaller. Använda experiment och simuleringar av molekylär dynamik Li et al. upptäckte en annan typ av metastabilt tillstånd för extremt finkornig polykristallin ren koppar (Cu). För finkorniga polykristaller med tillräckligt hög korngränstäthet, omvandling till ett metastabilt amorft tillstånd är ett alternativ till stabilisering och förväntas ur en termodynamisk synvinkel. Sådana amorfa tillstånd, dock, bildas sällan för de flesta metallegeringar och rena metaller under konventionella förhållanden, Därför återstår det att förstå om andra metastabila strukturer kan användas när polykristallina korn stadigt förädlas till extremt små skalor.

Ett metastabilt tillstånd på nanoskala

Till exempel, när kopparkorn (Cu) och nickel (Ni) förädlas till några tiotals nanometer i storlek genom plastisk deformation, processen kan utlösa den autonoma spannmålsavslappningen till lågenergistillstånd med korngränsdissociationer. Nanokornade strukturer kan därför utvecklas till mer stabila tillstånd genom att närma sig kornstorlekens extrema. Med hjälp av simuleringar av experimentell och molekylär dynamik (MD), Li et al. upptäckte ett metastabilt tillstånd i polykristallint rent Cu med kornstorlekar på några nanometer, bildas av utvecklingen av korngränser till tredimensionella (3-D) minimala gränssnittsstrukturer begränsade via tvillinggränsnätverk.

Under experimenten, teamet använde en tvåstegs plastisk deformationsprocess av mekanisk ytbehandling och högtrycksvridning i flytande kväve för att förfina korn av polykristallin koppar med en renhet på 99,97 viktprocent på nanoskala. Med hjälp av ljusfältstransmissionselektronmikroskopi, Li et al. fick bilder av de extremt fina kornen, där provet framträdde som oregelbundna aggregat eller kedjor kopplade till varandra för att bilda kontinuerliga nätverk. Aggregaten gjordes av flera enskilda korn på några nanometer stora. De små kristalliterna var kopplade till varandra via atomärt tunna gränser och teamet upptäckte inte amorfa faser eller porer.

Karaktäriserar kornen

Li et al. karakteriserade de individuella kornen av materialet genom att luta proverna under högupplöst transmissionselektronmikroskopi för att lösa upp deras gitterbilder och identifierade olika geometrier för många individuella korn. Formerna på kornen liknade en stympad oktaeder; ett gynnsamt alternativ för korn mindre än 10 nanometer. Teamet bestämde den termiska stabiliteten hos Cu-prover som bereddes med en genomsnittlig kornstorlek på 10 nm genom isotermisk glödgning vid olika temperaturer. Li et al. upptäckte fler tvillingar i de glödgade kornen, potentiellt på grund av ytterligare dissociation av korngränser under glödgning vid förhöjda temperaturer. Genom att höja temperaturerna över 1357 K, forskarna framkallade smältning, vid vilken tidpunkt alla nanokorn försvann.

De förberedde sedan ett annat prov med större korn för jämförelse med samma process, men med mindre belastning. Observationerna stödde idén att korngränsrelaxationer i polykristaller med mindre kornstorlek kommer att förbättra stabiliteten. Med hjälp av nanoindentationsexperiment, de noterade ovanlig stabilitet för de extremt välraffinerade kornen i den polykristallina strukturen.

Teamet satte sedan upp en atomistisk modell för att undersöka den enastående stabiliteten hos de extremt fina Cu-kornen. För att åstadkomma detta, de konstruerade en utökad Kelvin-supercell med hänvisning till Kelvin-modellen, med 16 stympade oktaedrarformade korn av samma storlek och erkände de grundläggande egenskaperna hos korngränsnätverk. Teamet valde också en utökad Kelvin-polykristall med en initial kornstorlek på 3,27 nm som en startstruktur för enkelheten och genomförde MD-simuleringar (molekylär dynamik) för att slappna av provet genom att värma upp det vid olika måltemperaturer. Under molekylär dynamisk avslappning och efterföljande uppvärmning, korngränserna i den förlängda Kelvin-polykristallen förvandlades till olika strukturer genom olika händelser.

Medan vissa korn krympte och slutligen försvann vid uppvärmning på grund av korngränsmigrering, hela korngränsnätverket kollapsade inte, istället smälter samman och utvecklas till olika former för att topologiskt likna Schwarz D-ytan (ytor periodiska i tre dimensioner). Enligt MD-resultaten, transformationen var termodynamiskt driven. Dessutom, den polykristallina strukturen med Schwarz D-gränssnitt var mer stabil än Kelvin-polykristaller.

Rollen för Schwarz D-struktur

Schwarz D-strukturen som erhölls i detta arbete förblev stabil vid förhöjda temperaturer. Istället för att grova, korngränsens uppruggning inträffade när smältpunkten närmade sig; vid vilken tidpunkt vätskefasen kärnbildades heterogent vid 1321 K, vilket tyder på att den övre termiska stabiliteten begränsas kinetiskt av korngränssmältning. Teamet genomförde enaxliga dragbelastningstester på den koherenta tvillinggränsen (CTB)-begränsad Schwarz D-struktur vid olika temperaturer och spänningar. De krediterade det primära sättet för observerad deformation till tvilling och den kritiska spänningen som motsvarar begynnande tvilling var temperaturberoende.

Utsikter för Schwarz-kristallen i materialutveckling

På det här sättet, baserat på experiment och MD -simuleringar, XY Li och kollegor bekräftade förmågan att uppnå uttalad stabilitet i polykristallin koppar (Cu) med korn i nanostorlek. De hänvisade till den observerade strukturen som en Schwarz-kristall - en annan typ av metastabilt tillstånd för polykristallina fasta ämnen, som i grunden skilde sig från de amorfa fasta tillstånden. Utseendet på Schwarz-kristallen förväntas i olika metaller och legeringar genom aktivering av tvillingmekanismer på nanoskala. Den rena Cu Schwarz-kristallen innehöll en mycket hög densitet av gränssnitt och visade termisk stabilitet lika hög som den för en enkristall, och mycket högre än amorfa fasta ämnen.

Strukturen kommer att ge nya möjligheter att utforska fysikaliska och kemiska fenomen hos metaller i förhållande till transportdynamik för atomer och elektroner vid gränssnitt och under defektinteraktioner vid höga temperaturer inom materialvetenskap. Schwarz-kristallen tillät förhöjd stabilitet och styrka med korn raffinerade i den extremt fina skalan. Arbetet kommer att hjälpa till att övervinna svårigheter som finns med traditionella strategier för materialutveckling. Schwarz -kristallen ska vara tillgänglig i andra material, också, att ge en annan riktning för att utveckla starka och stabila material för högtemperaturapplikationer.

© 2020 Science X Network