Typisk mikrostruktur av avsatt NT-Ni med en extremt fin tvillingtjocklek. (A) Tredimensionell struktur av NT-Ni som består av planvy och TEM-bilder i ljusfält i tvärsnitt. (B) Tvillingtjocklek och (C) kolumnbreddsfördelningar mätt från TEM- och HRTEM-bilder av det deponerade NT-2.9-provet. (D) TEM-bild med högre förstorad tvärsektion av NT-2.9-provet. (E) HRTEM-bild tagen längs [011]-zonaxeln. Insättningen i (E) visar motsvarande elektrondiffraktionsmönster för valt område. (F) XRD-mönster som visar den dominerande (111) orienteringen som finns i NT-2.9-prov. a.u., godtyckliga enheter. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abg5113
I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Fenghui Duan och ett forskarteam i Kina detaljerade kontinuerlig förstärkning av nanotvinnande rena nickelmaterial. Materialet registrerade en oöverträffad styrka på 4,0 GPa vid extremt fin tvillingtjocklek, 12 gånger starkare än konventionellt grovkornigt nickel. Teorier föreslår olika mekanismer för att mjuka upp nanokorniga metaller. Kontinuerlig förstärkning kan ske i nanotvinnade metaller med extremt fin tvillingtjocklek för att uppnå ultrahög styrka. Det är utmanande att experimentellt verifiera denna hypotes samtidigt som man reglerar syntesen av nanotvinnade metaller med en tjocklek under 10 nm. I det här arbetet, teamet utvecklade kolonnformigt nanotvinnt nickel med tvillingtjocklek från 2,9 till 81 nm, med hjälp av likströmselektrodeposition för att visa processen med kontinuerlig förstärkning. Duan et al. använde transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att avslöja egenskaperna för förstärkning och krediterade resultaten till materialets finfördelade arkitektur.
Mikrostruktur av det utvecklade nanotvinnande nickelet
Nickelproverna i bulk bibehöll en hög renhet och innehöll en hög densitet av tvillinglameller i nanoskala inbäddade med kolumnformiga korn i nanoskala syntetiserade med likströmselektrodavsättning i ett citratbad. Teamet reglerade nickel- och citratjoninnehållet i elektrolyten för att förfina den genomsnittliga tvillingtjockleken. Materialet visade en snäv fördelning som sträckte sig från 0,5 till 15 mm. Forskarna använde förstorade mikrofotografier för att observera detaljer i materialen och använda röntgendiffraktionsmönster, de noterade en kristallografisk textur utanför planet, överensstämmer med resultaten av transmissionselektronmikroskopi.
Mekanismer för materialutveckling och förstärkning.
Forskarna använde sedan elektroavsättning som en icke-jämviktsprocess för den utbredda bildningen av rent nickel. De stressavslappnade nanotvinnade metallerna var energimässigt mer stabila än de mycket stressade avlagringarna. Det lägre koncentrationsförhållandet av citrat och nickeljon resulterade i högre inre dragspänning. Teamet lade också till väte för att främja tvillingkärnbildning. För att förstå materialets mekaniska egenskaper, de genomförde enaxliga kompressionstester på mikropelare med en diameter på 1,3 mikron i skala. Spännings-töjningskurvorna indikerade att materialet med en mindre tvillingtjocklek var starkare, visar att det förstärkande beteendet fortfarande är funktionellt även med en förfinad tvillingtjocklek.
Mekaniska egenskaper hos NT-Ni-pelare. Enaxliga sanna spännings-töjningskurvor för pelare som visar att flödesspänningen vid 2 % plastisk töjning i NT-2.9- och NT-6.4-proverna är 4.0 och 2.9 GPa, respektive. De sanna spännings-töjningskurvorna för NG- och CG-Ni från (22) presenteras också för jämförelse. Den röda fyrkanten, orange cirkel, och blå och svarta trianglar anger flödesspänningarna vid 2 % plastisk töjning för de fyra proverna. Insatsen visar ett schema över kompressionstestet som utfördes på NT-Ni-prover med en diameter på 1,3 μm. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Kontinuerlig förstärkning i NT-Ni. Variation i sträckgränsen med genomsnittlig kornstorlek eller tvillingtjocklek för Ni och Mo-mikrolegerade NT-Ni (1,3 at. %), tillsammans med litteraturdata som erhållits direkt genom drag- och kompressionstester för elektroavsatt (ED) Ni, Ni pelare, ED NT-Ni (22, 24–33, 53, 54), och NT-Cu (2). Kontinuerligt förstärkningsbeteende som sträcker sig till tvillingtjocklek på 2,9 och 1,9 nm observeras i de avsatta NT-Ni- och Mo-mikrolegerade NT-Ni-proverna, respektive. Omvänt, mjukgörande beteende, dvs. minskande sträckgräns med minskande kornstorlek eller tvillingtjocklek, observeras i den avsatta NT-Cu när den genomsnittliga tvillingtjockleken är under 10 till 15 nm. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Deformationsmekanismer i NT-Ni med λ =2,9 nm. (A) Postmortem ljusfältsbild, visar skjuvbandet och kolumnformiga korn i provet. Insättningen visar pelarens morfologi efter enaxlig kompression vid ~3% plastisk töjning. (B) En högre förstorad TEM-bild från ruta R1 i (A) som visar den bevarade nanotwinstrukturen i deformerade områden. (C) En typisk HRTEM-bild och (D) dess motsvarande GPA-töjningskarta (rotation av stel kropp i planet, ωxy) i det deformerade området, som visar att en partiell dislokation halkade med en riktning som lutade mot tvillingplan, lämnar efter sig ett staplingsfel. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Utvecklingen av mikrostrukturen och stärkande mekanismer.
För att förstå de mekanismer som är ansvariga för kontinuerlig förstärkning, Duan et al. kännetecknade materialets mikrostruktur. För att åstadkomma detta, de använde tre procent plastpåkänning på materialområdet och noterade den konsekvent höga densiteten hos nanotwins trots deformation, liknande dess struktur innan den inducerar plastisk spänning. Detta indikerade en hög stabilitet hos nanotwins i materialet, ett kännetecken som härrörde från undertryckt aktivitet av partnersamverkan partiella dislokationer. Materialets höga staplingsenergi spelade därför en viktig roll för att hindra borttagningsprocessen av materialet. Duan et al. studerade ytterligare interaktionerna med hjälp av transmissionselektronmikroskopi och bekräftade förstärkningsmekanismerna hos det nanotvinnade nickelmaterialet, såväl som de sekundära nanotwins som är inneboende i materialet, vilket gav den ytterligare styrka.
Sekundär nanotwin-bildning i deformerat NT-2.9-prov. (A) HRTEM-bild från ruta R2 i Fig. 4A som visar sekundära nanotwins (markerade med gula pilar) som korsar de initiala TB som bildas inuti NT-Ni kolumnformiga korn under deformation. (B och C) Högre förstorade HRTEM-bilder från rutor B och C i (A) som visar kärnbildning och avslutning av sekundära nanotwins, respektive. (D) Motsvarande GPA-töjningskarta (rotation av stel kropp i planet, ωxy) för HRTEM-bild (C). Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Utsikter i materialkemi
På det här sättet, Fenghui Duan och kollegor visade hur sekundära nanotwins eller hierarkiska nanotwins kan bildas i metaller eller legeringar. Forskare hade tidigare utvecklat kärnbildning och tillväxt av sekundära tvillingar och beräknat den kritiska flytspänningen för tvillingkärnbildning i provet. Baserat på modellen, de fann förekomsten av en övergång i förstärkningsmekanismen för nanotvinnande nickel vid en extremt fin tvillingtjocklek. Teamet visade hur det nanotvinnade nickelet uppnåddes via likströmselektrodeposition med sin extremt fina tvillingtjocklek, uppvisade en hållfasthet större än ren nickel, härrör från att kontinuerligt förstärka tvillingtjockleken.
© 2021 Science X Network
