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

We erkennen de steun van de National Natural Science Foundation of China (NSFC) onder subsidienummers 11621062, 11772294, U1530402 en 11811530001. Dit onderzoek werd ook gedeeltelijk ondersteund door de China Postdoctoral Science Foundation (2021M690044). Dit onderzoek maakte gebruik van de middelen van de Advanced Light Source, een DOE Office of Science User Facility onder contractnummer DE-AC02-05CH11231 en de Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door COMPRES, het Consortium for Materials Properties Research in Earth Sciences onder NSF Cooperative Agreement EAR 1606856.

1. Monstervoorbereiding
<ol><li>Verkrijg 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm en 500 nm nikkelpoeder uit commerciële bronnen (zie Tabel met materialen). De morfologische karakterisering is weergegeven in figuur 1.</li>
	<li>Bereid 8 nm nikkeldeeltjes door 3 nm nikkeldeeltjes te verhitten met behulp van een reactieketel (zie Tabel met materialen).<ol>
<li>Doe ~20 ml absolute ethanol en ~50 mg 3 nm nikkelpoeder in de reactieketel. OPME...

Computationele simulaties zijn op grote schaal gebruikt om het korrelgrootte-effect op de sterkte van nanometalente bestuderen 5,6,16,17,27,42. Perfecte dislocaties, gedeeltelijke dislocaties en GB-vervorming zijn voorgesteld om een beslissende rol te spelen in de vervormingsmechanismen van de nanomaterialen. In een moleculai...

De weerstand tegen plastische vervorming bepaalt de sterkte van de materialen. De sterkte van de metalen neemt meestal toe met de afnemende korrelgroottes. Dit grootteversterkende fenomeen kan goed worden geïllustreerd door de traditionele Hall-Petch-relatietheorie van de millimeter tot submicronregime 1,2, die is gebaseerd op het dislocatie-gemedieerde vervormingsmechanisme van bulkmetalen, d.w.z. dislocaties stapelen zich op bij korrelgrenzen (GB's) en belemmeren hun bewegingen, wat leidt tot de mechanische versterking in metalen 3,4.
Daarentegen is mechanische ontharding, vaak aangeduid als de omgekeerde Hall-Petch-relatie, gerapporteerd voor fijne nanometalen in de afgelopen twee decennia 5,6,7,8,9,10. Daarom is de sterkte van de nanometalen nog steeds raadselachtig, aangezien continue verharding werd gedetecteerd voor korrelgroottes tot ~ 10 nm11,12, terwijl de gevallen van grootteverzachting onder het 10 nm-regime ook werden gemeld 7,8,9,10. De grootste moeilijkheid of uitdaging voor dit besproken onderwerp is om statistisch reproduceerbare metingen te doen over de mechanische eigenschappen van ultrafijne nanometalen en een betrouwbare correlatie vast te stellen tussen de sterkte en korrelgrootte van de nanometalen. Een ander deel van de moeilijkheid komt van de ambiguïteit in de plastische vervormingsmechanismen van de nanometalen. Verschillende defecten of processen op nanoschaal zijn gemeld, waaronder dislocaties13,14, vervormingstwinning 15,16,17, stapelfouten15,18, GB migratie19, GB glijden 5,6,20,21, korrelrotatie 22,23,24, atomaire bindingsparameters 25,26,27,28, enz. Welke de plastische vervorming domineert en daarmee de sterkte van nanometalen bepaalt, is echter nog onduidelijk.
Voor deze bovenstaande kwesties zijn traditionele benaderingen van mechanische sterkteonderzoek, zoals trekproef29, Vickers-hardheidstest 30,31, nano-inkepingstest32, micropilaire compressie 33,34,35, enz. minder effectief omdat de hoge kwaliteit van grote stukken nanogestructureerde materialen zo moeilijk te fabriceren is en conventionele indrukker veel groter is dan enkele nanodeeltjes van materialen (voor de single-particle mechanics). In deze studie introduceren we radiale DAC XRD-technieken36,37,38 aan de materiaalwetenschap om in situ de opbrengstspanning en vervormingstexturering van nanonikkel van verschillende korrelgroottes te volgen, die in eerdere studies in het geowetenschappelijke veld worden gebruikt. Het is gebleken dat de mechanische versterking kan worden uitgebreid tot 3 nm, veel kleiner dan de eerder gerapporteerde meest substantiële maten nanometalen, wat het regime van conventionele Hall-Petch-relatie vergroot, wat de betekenis van rDAC XRD-technieken voor de materiaalwetenschap impliceert.

<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

De mechanische versterking van metalen is de al lang bestaande uitdaging en populair onderwerp van materiaalkunde in industrieën en de academische wereld. De grootteafhankelijkheid van de sterkte van de nanometalen heeft veel belangstelling getrokken. Het karakteriseren van de sterkte van materialen op de lagere nanometerschaal is echter een grote uitdaging geweest omdat de traditionele technieken niet langer effectief en betrouwbaar worden, zoals nano-indentatie, micropilaire compressie, treksterkte, enz. Het huidige protocol maakt gebruik van radiale diamant-aambeeldcel (rDAC) X-ray diffraction (XRD) technieken om differentiële spanningsveranderingen te volgen en de sterkte van ultrafijne metalen te bepalen. Het is gebleken dat ultrafijne nikkeldeeltjes een grotere vloeigrens hebben dan grovere deeltjes, en de grootteversterking van nikkel gaat door tot 3 nm. Deze essentiële bevinding hangt enorm af van effectieve en betrouwbare karakteriseringstechnieken. De rDAC XRD-methode zal naar verwachting een belangrijke rol spelen bij het bestuderen en verkennen van nanomateriaalmechanica.

Bij hydrostatische compressie moeten uitgerolde röntgendiffractielijnen recht zijn, niet gebogen. Onder niet-hydrostatische druk neemt de kromming (ellipticiteit van de XRD-ringen, wat zich vertaalt in de niet-lineariteit van de lijnen die langs de azimuthoek zijn uitgezet) echter aanzienlijk toe aan ultrafijnkorrelig nikkel bij vergelijkbare drukken (figuur 4). Bij een vergelijkbare druk is de verschilspanning van het nikkel van 3 nm het hoogst. De mechanische sterkteresultaten (spannings-...

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

Het hier gepresenteerde protocol beschrijft de hogedruk radiale diamant-aambeeldcelexperimenten en het analyseren van de gerelateerde gegevens, die essentieel zijn voor het verkrijgen van de mechanische sterkte van de nanomaterialen met een belangrijke doorbraak naar de traditionele benadering.

Bepaling van de mechanische sterkte van ultrafijnkorrelige metalen

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

Het korrelige deeltje stelt ons in staat om de verandering van verschillende stress te volgen en de sterkte van ASFA-metaal te bepalen, waardoor het tekort aan traditionele technieken wordt overwonnen. Deze techniek kan worden gebruikt om de mechanische eigenschap van zelfs metaal met een korrelgrootte van minder dan 10 nanometer statistisch te onderzoeken met een reproduceerbaar en betrouwbaar resultaat Om kapitein ondersteunende pakkingen voor te bereiden, gebruikt u een laserboormachine om de binnenste cirkel te snijden, gevolgd door het buitenste rechthoekige deel. De rechthoekige afmeting is acht bij 1,4 millimeter.Bereid vervolgens boor epoxy pakkingen van een boorschijf met een diameter van 10 millimeter door de ruwe schijven handmatig te polijsten met schuurpapier tot een dikte van 60 tot 100 micrometer. Snijd vervolgens de binnenste cirkels en buitenste cirkel met een laserboormachine. Herhaal en stop de procedure onmiddellijk wanneer de juiste maat en de in het midden geboorde pakking loskomt.Plaats vervolgens, om de pakkingen te monteren, een kapitein ondersteunende pakking op een glazen glijbaan en plaats een geboorde boorpakking op het binnenste gat van de kapiteinpakking, zodat het grotere uiteinde van de boorpakking zich aan de bovenkant bevindt. Plaats vervolgens nog een schone glasplaat aan de bovenkant, houd deze stevig vast en druk totdat de boorpakking stevig in het gat van de kapiteinpakking is gestoken. Bewaar de gefabriceerde pakkingassemblages tussen twee schone glasplaten en wikkel ze met lijmtape voor toekomstig gebruik.Om de pakkingassemblage te monteren, markeert u een stip die het midden van de diamant op de computermonitor plaatst die is aangesloten op de optische microscoop, monteer vervolgens de boor epoxy pakking en markeer het midden van het pakkinggat. Gebruik vervolgens een glazen schuif om de pakkingassemblage zo naar beneden te drukken dat de pakking stevig op de diamant van de zuiger zet. Voor het reinigen en verdichten van de pakkingopstelling, laad monsters met een brokgrootte kleiner dan het pakkinggat, zodat er geen overloop van materialen op het pakkingoppervlak is.Sluit na het laden van een nieuw stuk monster de cel om compactheid te bereiken. Gebruik een monochromatische synchrotron-röntgenfoto om diffractie-experimenten uit te voeren. Richt de röntgenstraal op ongeveer een oppervlak van 30 bij 30 vierkante micrometer op het monster.Verzamel de röntgendiffractiepatronen met drukintervallen van één tot twee gigapascal door een afbeeldingsplaat met twee dimensies met een resolutie van 100 micrometer per pixel. Bij hydrostatische compressie moeten uitgerolde röntgen-dIffractielijnen recht zijn en niet gebogen. Onder niet-hydrostatische druk neemt de kromming aanzienlijk toe met de afnemende korrelgrootte bij vergelijkbare drukken, wat wijst op continue mechanische versterking.Bij vergelijkbare drukken is de differentiële spanning van het drie nanometer grote nikkel het hoogst. In transmissie-elektronenmicroscopiebeelden van representatief nikkel, geblust vanaf ongeveer 40 gigapascal, wordt zoals verwacht een hoog gehalte aan dislocaties gezien in het beloopkorrelige monster. Nanotweelingen daarentegen worden goed opgevangen in het onder hoge druk teruggewonnen nanokristallijn nikkel, vergezeld van enkele stapelfouten.Kortom, twining geïnduceerd door stapelfouten die in deze metingen worden waargenomen, komt voort uit de nucleatie en beweging van partiële dislocaties. We moeten het monster goed laden om ervoor te zorgen dat de kamer vol poeder zit en de pakking niet barst bij hoge druk. We kunnen tm-limiet uitvoeren onder herstelmonster en vervolgens de microstructuur en het vervormingsdefect onderzoeken voor het bepalen van het vervormingsmechanisme.We hebben deze techniek ook gebruikt om als onderzoeksonderwerp te verkennen, zoals het onderzoeken van groene rotatie op nanoschaal energiemeting, de vervormbaarheid van de nanokeramiek.

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

Het bepalen van 3D stromingen via Multi-camera 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

Snelle beeldvormende techniek om te studeren Drop Impact Dynamiek van niet-Newtoniaanse vloeistoffen

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 Protocollen voor de productie van Open Cell Aluminium schuimen door de Replicatie Techniek en het effect op de porositeit

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

Experimenten op Ultrasoon smeren met behulp van een piëzo-elektrisch ondersteunde Tribometer en optische 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

Indirecte Fabrication van Lattice Metals met slijpplaatjes behulp 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 Protocol voor het bepalen van Embedded Gevoeligheid Functies

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

Een Robotic Platform aan de Foreflipper van de Californische zeeleeuw Studie

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 en de warmte- en massatransport Fenomenen van de invoering van water tot een koud bad van Pekel

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 ...