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

Vi anerkender støtte fra National Natural Science Foundation of China (NSFC) under tilskudsnumre 11621062, 11772294, U1530402 og 11811530001. Denne forskning blev også delvist støttet af China Postdoctoral Science Foundation (2021M690044). Denne forskning brugte ressourcerne fra Advanced Light Source, som er en DOE Office of Science User Facility under kontraktnummer DE-AC02-05CH11231 og Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Denne forskning blev delvist støttet af COMPRES, Consortium for Materials Properties Research in Earth Sciences under NSF Cooperative Agreement EAR 1606856.

1. Prøveforberedelse
<ol><li>3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm og 500 nm nikkelpulver fra kommercielle kilder (se materialetabel). Morfologikarakteriseringen er vist i figur 1.</li>
	<li>Forbered 8 nm nikkelpartikler ved opvarmning af 3 nm nikkelpartikler ved hjælp af en reaktionskedel (se materialetabel).<ol>
<li>Kom ~ 20 ml absolut ethanol og ~ 50 mg 3 nm nikkelpulver i reaktionskedlen. BEMÆRK: Hele opløsningen må ikke nå ~...

Beregningssimuleringer er blevet anvendt i vid udstrækning til at studere kornstørrelseseffekten på styrken af nanometaller 5,6,16,17,27,42. Perfekte forskydninger, delvise forskydninger og GB-deformation er blevet foreslået at spille afgørende roller i nanomaterialernes deformationsmekanismer. I en molekylær dynamiksi...

Modstanden mod plastisk deformation bestemmer materialernes styrke. Styrken af metallerne øges normalt med de faldende kornstørrelser. Dette størrelsesstyrkende fænomen kan illustreres godt af den traditionelle Hall-Petch-forholdsteori fra millimeter ned til submikronregime 1,2, som er baseret på den dislokationsmedierede deformationsmekanisme af bulk-størrelse metaller, dvs. dislokationer hober sig op ved korngrænser (GB'er) og hindrer deres bevægelser, hvilket fører til mekanisk styrkelse i metaller 3,4.
I modsætning hertil er mekanisk blødgøring, ofte omtalt som det omvendte Hall-Petch-forhold, blevet rapporteret for fine nanometaller i de sidste to årtier 5,6,7,8,9,10. Derfor er nanometalernes styrke stadig forvirrende, da kontinuerlig hærdning blev påvist for kornstørrelser ned til ~ 10 nm11,12, mens tilfældene af størrelsesblødgøring under 10 nm regime også blev rapporteret 7,8,9,10. Den største vanskelighed eller udfordring for dette debatterede emne er at foretage statistisk reproducerbare målinger af de ultrafine nanometallers mekaniske egenskaber og etablere en pålidelig sammenhæng mellem nanometalernes styrke og kornstørrelse. En anden del af vanskeligheden kommer fra tvetydigheden i nanometalernes plastiske deformationsmekanismer. Der er rapporteret om forskellige defekter eller processer i nanoskala, herunder forskydninger13,14, deformationssamarbejde 15,16,17, stablingsfejl15,18, GB migration19, GB glidning 5,6,20,21, kornrotation 22,23,24, atombindingsparametre 25,26,27,28 osv. Men hvilken der dominerer den plastiske deformation og dermed bestemmer styrken af nanometaller er stadig uklart.
For disse ovennævnte spørgsmål er traditionelle tilgange til mekanisk styrkeundersøgelse, såsom trækprøvning29, Vickers hårdhedstest30,31, nanoindrykningstest32, mikropillekompression 33,34,35 osv., Mindre effektive, fordi den høje kvalitet af store stykker nanostrukturerede materialer er så vanskelig at fremstille, og konventionel indrykning er meget større end en enkelt nanopartikel af materialer (for enkeltpartikelmekanik). I denne undersøgelse introducerer vi radiale DAC XRD-teknikker 36,37,38 til materialevidenskab for in situ at spore udbyttespænding og deformationsteksturering af nanonikkel i forskellige kornstørrelser, som anvendes i geovidenskabsområdet i tidligere undersøgelser. Det har vist sig, at den mekaniske styrkelse kan forlænges ned til 3 nm, meget mindre end de tidligere rapporterede mest betydningsfulde størrelser af nanometaller, hvilket udvider regimet for konventionelt Hall-Petch-forhold, hvilket indebærer betydningen af rDAC XRD-teknikker til materialevidenskab.

<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

Den mekaniske styrkelse af metaller er den mangeårige udfordring og det populære emne for materialevidenskab i industrier og den akademiske verden. Størrelsesafhængigheden af nanometalernes styrke har tiltrukket sig stor interesse. Det har imidlertid været en stor udfordring at karakterisere styrken af materialer på den lavere nanometerskala, fordi de traditionelle teknikker ikke længere bliver effektive og pålidelige, såsom nano-indrykning, mikropillekompression, træk osv. Den nuværende protokol anvender radiale diamant-amboltcelle (rDAC) røntgendiffraktionsteknikker (XRD) til at spore differentielle spændingsændringer og bestemme styrken af ultrafine metaller. Det konstateres, at ultrafine nikkelpartikler har større udbyttestyrke end grovere partikler, og størrelsesstyrkelsen af nikkel fortsætter ned til 3 nm. Dette vitale fund afhænger enormt af effektive og pålidelige karakteriseringsteknikker. rDAC XRD-metoden forventes at spille en væsentlig rolle i studiet og udforskningen af nanomaterialemekanik.

Under hydrostatisk kompression skal udrullede røntgendiffraktionslinjer være lige, ikke buede. Under ikke-hydrostatisk tryk øges krumningen (ellipticitet af XRD-ringene, hvilket oversættes til ikke-lineariteten af linjerne plottet langs azimutvinklen) signifikant ultrafinkornet nikkel ved lignende tryk (figur 4). Ved et lignende tryk er differensstammen af nikkel på 3 nm den højeste. Resultaterne af den mekaniske styrke (spændings-belastningskurver) er vist i figu...

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

Protokollen, der præsenteres her, beskriver de radiale diamant-amboltcelleeksperimenter med højt tryk og analyserer de relaterede data, som er afgørende for at opnå nanomaterialernes mekaniske styrke med et betydeligt gennembrud for den traditionelle tilgang.

Bestemmelse af den mekaniske styrke af ultrafinkornede metaller

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

Den kornede partikel giver os mulighed for at spore ændringen af forskellig stress og bestemme styrken af ASFA-metal, som overvinder manglen på traditionelle teknikker. Denne teknik kan bruges til statistisk at undersøge den mekaniske egenskab af selv under 10 nanometer kornstørrelse metal med reproducerbare og pålidelige resultater For at forberede kaptajnstøttende pakninger skal du bruge laserboremaskine til at skære den indre cirkel efterfulgt af den ydre rektangulære del. Den rektangulære dimension er otte gange 1,4 millimeter.Forbered derefter borepoxypakninger fra en borskive med en diameter på 10 millimeter ved manuelt at polere de rå skiver med sandpapir til en tykkelse på 60 til 100 mikrometer. Skær derefter de indre cirkler og den ydre cirkel med en laserboremaskine. Gentag og stop proceduren med det samme, når den rigtige størrelse og centerborede pakning kommer af.For at samle pakningerne skal du derefter placere en kaptajnstøttepakning på et glasglas og placere en borpakning på det indre hul i kaptajnpakningen, hvilket sikrer, at den større ende af borpakningen er øverst. Sæt derefter et andet rent glasglas på toppen, hold det fast og tryk, indtil borpakningen er fast indsat i hullet i kaptajnpakningen. Opbevar de fremstillede pakningssamlinger mellem to rene glasrutschebaner og pakk dem ind med limtape til fremtidig brug.For at montere pakningsenheden skal du markere en prikke, der lokaliserer midten af diamanten på computerskærmen, der er tilsluttet det optiske mikroskop, derefter montere borepoxypakningen og markere midten af pakningshullet. Brug derefter et glasglas til at trykke pakningsenheden ned, så pakningen sætter sig fast på stemplets diamant. Til rengøring og komprimering af pakningsopsætningen skal du laste prøver med en klumpstørrelse, der er mindre end pakningshullet, således at der ikke er overløb af materialer på pakningsoverfladen.Efter ilægning af et nyt stykke prøve skal du lukke cellen for at opnå kompaktitet. Brug en monokromatisk synkrotronrøntgenstråle til at udføre diffraktionseksperimenter. Fokuser røntgenstrålen til ca. et overfladeareal på 30 x 30 kvadratmeter på prøven.Opsaml røntgendiffraktionsmønstrene med trykintervaller på en til to gigapascal med en todimensionel billedplade med en opløsning på 100 mikrometer pr. pixel. Under hydrostatisk kompression skal udrullede røntgen-dIfraktionslinjer være lige, ikke buede. Under ikke-hydrostatisk tryk øges krumningen signifikant med den faldende kornstørrelse ved lignende tryk, hvilket tyder på kontinuerlig mekanisk styrkelse.Ved lignende tryk er differensspændingen af nikkel på tre nanometer den højeste. I transmissionselektronmikroskopibilleder af repræsentativ nikkel, slukket fra omkring 40 gigapascal, ses et højt indhold af forskydninger i den forløbskornede prøve som forventet. I modsætning hertil er nanotvillinger godt fanget i det højtryksgesøgte nanokrystallinske nikkel ledsaget af nogle stablingsfejl.Kort sagt stammer twining induceret af stablingsfejl observeret i disse målinger fra nukleation og bevægelse af partielle forskydninger. Vi er nødt til at indlæse prøven korrekt for at sikre, at kammeret er fyldt med pulver, og at pakningen ikke revner ved højt tryk. Vi kan udføre TM-grænse under genvindingsprøve og derefter undersøge mikrostrukturen og deformationsdefekten til bestemmelse af deformationsmekanismen.Vi har også brugt denne teknik til at udforske som et forskningsemne såsom at undersøge grøn rotation ved en nanoskala energiaflæsning, duktiliteten af nanokeramiken.

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

Bestemmelse 3D Flow Fields via Multi-kamera Light Field Imaging

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

Hurtig Imaging teknik til at undersøge Drop Impact Dynamics af ikke-newtonske væsker

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

Casting Protokoller til produktion af åbne celler Aluminum Skum af replikering Teknik og effekten på Porøsitet

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

Forsøg med Ultrasonic Smøring Ved hjælp af en piezoelektrisk-assisteret Friktionsmåler og optisk profilometer

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

Indirekte Fabrikation af Lattice Metals med tyndslib Brug Centrifugal Casting

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

Data Acquisition Protokol til bestemmelse Embedded Følsomhed funktioner

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

En robot platform til at studere den Foreflipper af California Sea Lion

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

Ice Generation og Heat og Mass Transfer Phenomena af Introduktion Vand til et koldt bad af Brine

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 ...