Name: determining the mechanical strength of ultra-fine-grained metals
Uploaded: 2021-11-22T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Determining the Mechanical Strength of Ultra-Fine-Grained Metals at JoVE.com

نحن نقر بالدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (NSFC) بموجب أرقام المنح 11621062 11772294 و U1530402 و 11811530001. كما تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل مؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (2021M690044). استخدم هذا البحث موارد مصدر الضوء المتقدم ، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة بموجب العقد رقم DE-AC02-05CH11231 ومرفق شنغهاي للإشعاع السنكروتروني. تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل COMPRES ، اتحاد أبحاث خصائص المواد في علوم الأرض بموجب اتفاقية التعاون NSF EAR 1606856.

1. إعداد العينات
<ol><li>احصل على 3 نانومتر و 20 نانومتر و 40 نانومتر و 70 نانومتر و 100 نانومتر و 200 نانومتر و 500 نانومتر من مسحوق النيكل من مصادر تجارية (انظر جدول المواد). ويبين الشكل 1 توصيف المورفولوجيا.</li>
	<li>قم بتحضير جزيئات النيكل 8 نانومتر عن طريق تسخين جزيئات...

تم استخدام المحاكاة الحاسوبية على نطاق واسع لدراسة تأثير حجم الحبوب على قوة المعادن النانوية5،6،16،17،27،42. تم اقتراح الخلع المثالي والخلع الجزئي وتشوه GB للعب أدوار حاسمة في آليات ت?...

تحدد مقاومة تشوه البلاستيك قوة المواد. عادة ما تزداد قوة المعادن مع انخفاض أحجام الحبوب. يمكن توضيح ظاهرة تعزيز الحجم هذه بشكل جيد من خلال نظرية العلاقة التقليدية بين هول وبيتش من المليمتر إلى نظام تحت الميكرون 1,2 ، والتي تستند إلى آلية التشوه بوساطة الخلع للمعادن السائبة الحجم ، أي الخلع يتراكم عند حدود الحبوب (GBs) ويعيق تحركاتها ، مما يؤدي إلى التعزيز الميكانيكي في المعادن 3,4.
في المقابل ، تم الإبلاغ عن التليين الميكانيكي ، الذي يشار إليه غالبا باسم العلاقة العكسية بين هول وبيتش ، للمعادن النانوية الدقيقة في العقدين الماضيين5،6،7،8،9،10. لذلك ، لا تزال قوة المعادن النانوية محيرة حيث تم الكشف عن تصلب مستمر لأحجام الحبوب وصولا إلى ~ 10 نانومتر11,12 ، في حين تم الإبلاغ أيضا عن حالات تليين الحجم أقل من نظام 10 نانومتر 7,8,9,10. تتمثل الصعوبة أو التحدي الرئيسي لهذا الموضوع الذي تمت مناقشته في إجراء قياسات قابلة للتكرار إحصائيا على الخواص الميكانيكية للمعادن النانوية متناهية الصغر وإنشاء علاقة موثوقة بين قوة وحجم الحبوب للمعادن النانوية. جزء آخر من الصعوبة يأتي من الغموض في آليات تشوه البلاستيك للمعادن النانوية. تم الإبلاغ عن عيوب أو عمليات مختلفة على نطاق النانو ، بما في ذلك الخلع 13،14 ، توأمة التشوه 15،16،17 ، أخطاء التراص15،18 ، ترحيل GB 19 ، انزلاق GB5،6،20،21 ، دوران الحبوب 22،23،24 ، معلمات الرابطة الذرية25،26،27،28 ، إلخ. ومع ذلك ، فإن أي واحد يهيمن على تشوه البلاستيك وبالتالي يحدد قوة المعادن النانوية لا يزال غير واضح.
بالنسبة لهذه القضايا المذكورة أعلاه ، فإن الأساليب التقليدية لفحص القوة الميكانيكية ، مثل اختبار الشد29 ، واختبار صلابة فيكرز 30,31 ، واختبار المسافة البادئة النانوية 32 ، وضغط الأعمدة الدقيقة 33,34,35 ، وما إلى ذلك ، أقل فعالية لأن الجودة العالية للقطع الكبيرة من المواد ذات البنية النانوية يصعب تصنيعها ، كما أن indenter التقليدية أكبر بكثير من الجسيمات النانوية المفردة للمواد (بالنسبة ل ميكانيكا الجسيمات المفردة). في هذه الدراسة ، نقدم تقنيات DAC XRD الشعاعية36،37،38 إلى علوم المواد لتتبع إجهاد الغلة وتشوه نسيج نانو نيكل من مختلف أحجام الحبوب ، والتي تستخدم في مجال العلوم الجيولوجية في الدراسات السابقة. وقد وجد أن التعزيز الميكانيكي يمكن تمديده إلى 3 نانومتر، وهو أصغر بكثير من الأحجام الأكثر أهمية للمعادن النانوية التي تم الإبلاغ عنها سابقا، مما يوسع نظام العلاقة التقليدية بين هول وبيتش، مما يعني أهمية تقنيات rDAC XRD لعلوم المواد.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>20 nm Ni</td>
			<td>Nanomaterialstore</td>
			<td>SN1601</td>
			<td>Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 nm Ni</td>
			<td>nanoComposix</td>
			<td></td>
			<td>Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40, 70, 100, 200, 500 nm Ni</td>
			<td>US nano</td>
			<td>US1120</td>
			<td>Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Absolute ethanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>as the solution to make 8 nm Ni</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Absolute isopropanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>as the solution to make 12 nm Ni</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amorphous boron powder</td>
			<td>alfa asear</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper mesh</td>
			<td>Beijing Zhongjingkeyi Technology Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>TEM grid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy glue</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>clean experimental setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Focused ion beam</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass slide</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glue tape</td>
			<td>Scotch</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kapton</td>
			<td>DuPont</td>
			<td></td>
			<td>Polyimide film material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser drilling machine</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>located in high pressure lab of ALS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monochromatic synchrotron X-ray</td>
			<td>Beamline 12.2.2, Advanced Light Source (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratory</td>
			<td></td>
			<td>X-ray energy: 25-30 keV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
			<td>to mount the gasket and load samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt powder</td>
			<td>thermofisher</td>
			<td>38374</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reaction kettle</td>
			<td>Xian Yichuang Co.,Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>50 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sand paper</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>from 400 mesh to 1000 mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission Electron Microscopy</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>Titan G2 60-300</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Two-dimension image plate</td>
			<td>ALS, BL 12.2.2</td>
			<td></td>
			<td>mar 345</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

determining the mechanical strength of ultra-fine-grained metals

التعزيز الميكانيكي للمعادن هو التحدي طويل الأمد والموضوع الشائع لعلوم المواد في الصناعات والأوساط الأكاديمية. وقد اجتذب الاعتماد على حجم قوة المعادن النانوية الكثير من الاهتمام. ومع ذلك ، فإن توصيف قوة المواد على مقياس النانومتر الأدنى كان تحديا كبيرا لأن التقنيات التقليدية لم تعد فعالة وموثوقة ، مثل المسافة البادئة النانوية ، وضغط الأعمدة الدقيقة ، والشد ، وما إلى ذلك. يستخدم البروتوكول الحالي تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD) لخلية سندان الماس الشعاعية (rDAC) لتتبع تغيرات الإجهاد التفاضلي وتحديد قوة المعادن متناهية الصغر. وجد أن جزيئات النيكل متناهية الصغر لها قوة إنتاجية أكبر من الجسيمات الخشنة ، ويستمر تقوية حجم النيكل إلى 3 نانومتر. يعتمد هذا الاكتشاف الحيوي بشكل كبير على تقنيات توصيف فعالة وموثوقة. من المتوقع أن تلعب طريقة rDAC XRD دورا مهما في دراسة واستكشاف ميكانيكا المواد النانوية.

تحت الضغط الهيدروستاتيكي ، يجب أن تكون خطوط حيود الأشعة السينية غير الملفوفة مستقيمة وليست منحنية. ومع ذلك ، تحت الضغط غير الهيدروستاتيكي ، فإن الانحناء (إهليلجي حلقات XRD ، والذي يترجم إلى عدم خطية الخطوط المرسومة على طول زاوية السمت) يزيد بشكل كبير من النيكل فائق الدقائق عند ضغوط مماثلة (<s...

Watch this Scientific Journal Video about Determining the Mechanical Strength of Ultra-Fine-Grained Metals at JoVE.com

Determining the Mechanical Strength of Ultra-Fine-Grained Metals

يصف البروتوكول المعروض هنا تجارب خلايا الماس السندان الشعاعية عالية الضغط وتحليل البيانات ذات الصلة ، والتي تعد ضرورية للحصول على القوة الميكانيكية للمواد النانوية مع اختراق كبير للنهج التقليدي.

تحديد القوة الميكانيكية للمعادن فائقة النواة

The mechanical strengthening of metals is the long-standing challenge and popular topic of materials science in industries and academia. The size ...

يسمح لنا الجسيم المحبب بتتبع تغير الإجهاد المختلف وتحديد قوة معدن ASFA ، الذي يتغلب على نقص التقنيات التقليدية. يمكن استخدام هذه التقنية لفحص الخواص الميكانيكية إحصائيا للمعادن حتى بحجم الحبوب دون 10 نانومتر مع نتائج قابلة للتكرار وموثوقة لإعداد حشيات دعم القبطان ، استخدم آلة الحفر بالليزر لقطع الدائرة الداخلية ، متبوعة بالجزء المستطيل الخارجي. البعد المستطيل هو ثمانية × 1.4 ملم.بعد ذلك ، قم بإعداد حشيات البورون الايبوكسي من قرص البورون الذي يبلغ قطره 10 ملليمترات عن طريق تلميع الأقراص الخام يدويا بورق صنفرة بسماكة 60 إلى 100 ميكرومتر. ثم قطع الدوائر الداخلية والدائرة الخارجية مع آلة الحفر بالليزر. كرر الإجراء وأوقفه على الفور عندما تنفجر الحشية المحفورة ذات الحجم المناسب والوسط.بعد ذلك ، لتجميع الحشيات ، ضع طوقا يدعم القبطان على شريحة زجاجية وضع طوقا بورون محفورا على الثقب الداخلي لحشية القبطان ، مما يضمن أن الطرف الأكبر من طوقا البورون في الأعلى. ثم ضع شريحة زجاجية نظيفة أخرى في الأعلى ، وأمسكها بإحكام واضغط حتى يتم إدخال طوقا البورون بإحكام في ثقب طوقا القبطان. قم بتخزين مجموعات الحشية المصنعة بين شريحتين زجاجيتين نظيفتين ولفها بشريط لاصق للاستخدام في المستقبل.لتركيب مجموعة الحشية ، ضع علامة على نقطة تحدد مركز الماس على شاشة الكمبيوتر المتصلة بالمجهر الضوئي ، ثم قم بتركيب طوقا البورون الايبوكسي ووضع علامة على مركز ثقب الحشية. بعد ذلك ، استخدم شريحة زجاجية للضغط لأسفل على مجموعة الحشية بحيث يتم تثبيت الحشية بإحكام على ماسة المكبس. لتنظيف وضغط إعداد الحشية ، قم بتحميل عينات بحجم قطعة أصغر من فتحة الحشية ، بحيث لا يوجد فائض من المواد على سطح الحشية.بعد تحميل قطعة جديدة من العينة، أغلق الخلية لتحقيق الاكتناز. استخدم أشعة سينكروترون السنكروترونية أحادية اللون لإجراء تجارب الحيود . ركز شعاع الأشعة السينية على مساحة سطح تبلغ حوالي 30 × 30 ميكرومتر مربع على العينة.اجمع أنماط حيود الأشعة السينية على فترات ضغط تتراوح من واحد إلى اثنين من جيجاباسكال بواسطة لوحة صورة ثنائية الأبعاد بدقة 100 ميكرومتر لكل بكسل. تحت الضغط الهيدروستاتيكي ، يجب أن تكون خطوط حيود الأشعة السينية غير المدلولة مستقيمة وغير منحنية. تحت الضغط غير الهيدروستاتيكي ، يزداد الانحناء بشكل كبير مع انخفاض حجم الحبوب عند ضغوط مماثلة ، مما يشير إلى التقوية الميكانيكية المستمرة.عند ضغوط مماثلة ، يكون الإجهاد التفاضلي للنيكل بحجم ثلاثة نانومتر هو الأعلى. في صور المجهر الإلكتروني الناقل للنيكل التمثيلي ، الذي تم إخماده من حوالي 40 جيجاباسكال ، شوهد محتوى عال من الخلع في عينة حبيبات الدورة التدريبية كما هو متوقع. في المقابل ، يتم التقاط توائم النانو بشكل جيد في النيكل البلوري النانوي المسترد عالي الضغط مصحوبا ببعض أخطاء التراص.باختصار ، تنشأ التوأمة الناجمة عن تكديس الأخطاء التي لوحظت في هذه القياسات من نواة وحركة الخلع الجزئي. نحن بحاجة إلى تحميل العينة بشكل صحيح للتأكد من أن الغرفة مليئة بالمسحوق وأن الحشية لن تتشقق عند الضغط العالي. يمكننا إجراء حد TM تحت عينة الاسترداد ثم فحص البنية المجهرية وعيب التشوه لتحديد آلية التشوه.لقد استخدمنا أيضا هذه التقنية لاستكشاف موضوع بحثي مثل التحقيق في الدوران الأخضر على نطاق نانو قراءة الطاقة ، ليونة السيراميك النانوي.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Concept of Stress

SCIENTISTS IN ACTION

Determining 3D Flow Fields via Multi-camera Light Field Imaging

تحديد الحقول تدفق 3D عبر موضوع ضوء الكاميرا التصوير الميدانية

In the field of fluid mechanics, the resolution of computational schemes has outpaced experimental methods and widened the gap between predicted and ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

سريع التصوير وتقنيات لدراسة تأثير انخفاض ديناميات السوائل غير النيوتونية

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity

الصب بروتوكولات لإنتاج المفتوحة خلية كسوات الألومنيوم من قبل تقنية النسخ المتماثل والتأثير على المسامية

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

تجارب على الموجات فوق الصوتية التزييت باستخدام Tribometer Piezoelectrically بمساعدة وProfilometer البصرية

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Indirect Fabrication of Lattice Metals with Thin Sections Using Centrifugal Casting

تلفيق غير المباشر للشعرية المعادن مع أقسام رقيقة عن طريق صب الطرد المركزي

One of the typical methods to manufacture 3D lattice metals is the direct-metal additive manufacturing (AM) process such as Selective Laser Melting (SLM) ...

Data Acquisition Protocol for Determining Embedded Sensitivity Functions

بروتوكول الحصول على البيانات لتحديد جزءا لا يتجزأ من وظائف الحساسية

The effectiveness of many structural health monitoring techniques depends on the placement of sensors and the location of input forces. Algorithms for ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

ومنصة الروبوتية لدراسة Foreflipper من أسد البحر كاليفورنيا

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

Ice Generation and the Heat and Mass Transfer Phenomena of Introducing Water to a Cold Bath of Brine

الجيل الجليد وانتقال الحرارة والكتلة الظواهر من إدخال المياه إلى حمام الباردة من الماء المالح

We demonstrate a method for the study of the heat and mass transfer and of the freezing phenomena in a subcooled brine environment. Our experiment showed ...