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

אנו מכירים בתמיכה של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (NSFC) תחת מספרי מענקים 11621062, 11772294, U1530402 ו- 11811530001. מחקר זה נתמך באופן חלקי גם על ידי הקרן למדע הבתר-דוקטורט של סין (2021M690044). מחקר זה השתמש במשאבים של מקור האור המתקדם, שהוא מתקן משתמש של משרד המדע של DOE תחת מספר החוזה DE-AC02-05CH11231 ומתקן הקרינה סינכרוטרון בשנחאי. מחקר זה נתמך באופן חלקי על ידי COMPRES, הקונסורציום לחקר תכונות חומרים במדעי כדור הארץ תחת הסכם שיתוף הפעולה של NSF EAR 1606856.

1. הכנה לדוגמה
<ol><li>קבל 3 ננומטר, 20 ננומטר, 40 ננומטר, 70 ננומטר, 100 ננומטר, 200 ננומטר ואבקת ניקל של 500 ננומטר ממקורות מסחריים (ראה טבלת חומרים). האפיון המורפולוגי מוצג באיור 1.</li>
	<li>הכינו חלקיקי ניקל של 8 ננומטר על ידי חימום חלקיקי ניקל של 3 ננומטר באמצעות קומקום ?...

סימולציות חישוביות שימשו באופן נרחב כדי לחקור את השפעת גודל הגרגר על חוזקם של ננומטלים 5,6,16,17,27,42. נקעים מושלמים, נקעים חלקיים ועיוות GB הוצעו כדי למלא תפקידים מכריעים במנגנוני העיוו...

העמידות בפני דפורמציה פלסטית קובעת את חוזק החומרים. חוזק המתכות בדרך כלל עולה עם הירידה בגדלים של גרגרים. ניתן להמחיש היטב את תופעת חיזוק הגודל הזו על ידי תיאוריית יחסי הול-פץ' המסורתית מהמילימטר ועד למשטר תת-מיקרון 1,2, המבוססת על מנגנון העיוות בתיווך נקע של מתכות בגודל בתפזורת, כלומר, נקעים נערמים בגבולות גרגרים (GBs) ומעכבים את תנועותיהם, מה שמוביל לחיזוק המכני במתכות 3,4.
לעומת זאת, ריכוך מכני, המכונה לעתים קרובות יחסי הול-פץ' ההופכיים, דווח על ננומטלים עדינים בשני העשורים האחרונים 5,6,7,8,9,10. לכן, חוזקם של הננומטלים עדיין תמוה שכן זוהתה התקשות מתמשכת עבור גדלי גרגרים עד ל~10 ננומטר11,12, בעוד שמקרים של ריכוך גודל מתחת למשטר של 10 ננומטר דווחו גםהם על 7,8,9,10. הקושי או האתגר העיקרי של נושא שנוי במחלוקת זה הוא לבצע מדידות הניתנות לשחזור סטטיסטי על התכונות המכניות של ננומטלים אולטרה-דקים ולקבוע מתאם אמין בין החוזק לגודל הגרגרים של הננומטלים. חלק נוסף של הקושי נובע מהעמימות במנגנוני העיוות הפלסטי של הננומטלים. דווח על פגמים או תהליכים שונים בקנה מידה ננומטרי, כולל נקעים13,14, דפורמציה תאומות 15,16,17, תקלות בערימה 15,18, נדידת GB19, החלקה של GB 5,6,20,21, סיבובגרגרים 22,23,24, פרמטרים של קשר אטומי 25,26,27,28 וכו'. עם זאת, עדיין לא ברור איזה מהם שולט בעיוות הפלסטי ובכך קובעים את חוזקם של הננומטלים.
עבור סוגיות אלה לעיל, גישות מסורתיות של בחינת חוזק מכני, כגון מבחן מתיחה29, מבחן קשיות ויקרס 30,31, מבחן ננו-כניסה32, דחיסת מיקרופילר 33,34,35 וכו 'הן פחות יעילות מכיוון שהאיכות הגבוהה של חתיכות גדולות של חומרים ננו-מובנים כל כך קשה לייצור ואינדנטר קונבנציונלי גדול בהרבה מננו-חלקיק יחיד של חומרים (עבור ננו-חלקיק יחיד של חומרים (עבור מכניקה של חלקיק יחיד). במחקר זה, אנו מציגים טכניקות DAC XRD רדיאליות 36,37,38 למדע החומרים כדי לעקוב אחר עקת התשואה וטקסטורת העיוות של ננו ניקל בגדלים שונים של גרגרים, המשמשים בתחום המדע הגיאוגרפי במחקרים קודמים. נמצא כי ניתן להרחיב את החיזוק המכני עד 3 ננומטר, קטן בהרבה מהגדלים המשמעותיים ביותר שדווחו בעבר של ננו-ננומטלים, מה שמרחיב את משטר היחסים הקונבנציונליים בין הול לפטץ', מה שמרמז על המשמעות של טכניקות rDAC XRD למדע החומרים.

<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

החיזוק המכני של מתכות הוא האתגר ארוך השנים והנושא הפופולרי של מדע החומרים בתעשיות ובאקדמיה. התלות בגודל של כוח הננומטלים משכה עניין רב. עם זאת, אפיון חוזק החומרים בסולם הננומטרים הנמוך יותר היה אתגר גדול מכיוון שהטכניקות המסורתיות הופכות כבר לא יעילות ואמינות, כגון ננו-כניסה, דחיסת מיקרופילרים, מתיחה וכו '. הפרוטוקול הנוכחי משתמש בטכניקות עקיפת קרני רנטגן של תאי יהלום-סדן רדיאליים (rDAC) (XRD) כדי לעקוב אחר שינויי מתח דיפרנציאליים ולקבוע את חוזקן של מתכות אולטרה-דקיות. נמצא כי לחלקיקי ניקל אולטרה-דקים יש חוזק תפוקה משמעותי יותר מאשר לחלקיקים גסים יותר, והתחזקות הגודל של ניקל נמשכת עד 3 ננומטר. ממצא חיוני זה תלוי במידה רבה בטכניקות אפיון יעילות ואמינות. שיטת rDAC XRD צפויה למלא תפקיד משמעותי בחקר וחקר מכניקה ננו-חומרית.

תחת דחיסה הידרוסטטית, קווי עקיפה לא מגוללים של קרני רנטגן צריכים להיות ישרים, לא מעוקלים. עם זאת, תחת לחץ לא-הידרוסטטי, העקמומיות (האליפטיות של טבעות ה-XRD, המתורגמת לאי-ליניאריות של הקווים המתווים לאורך זווית האזימוט) מגדילה באופן משמעותי את העקמומיות (האליפטיות של טבעות ה-XRD, המתורגמת לאי-לי...

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

הפרוטוקול המוצג כאן מתאר את הניסויים הרדיאליים בלחץ גבוה של תאי יהלום-סדן וניתוח הנתונים הקשורים, החיוניים להשגת החוזק המכני של הננו-חומרים עם פריצת דרך משמעותית לגישה המסורתית.

קביעת החוזק המכני של מתכות אולטרה-עדינות

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

החלקיק הגרגרני מאפשר לנו לעקוב אחר השינוי של מתח שונה ולקבוע את חוזקה של מתכת ASFA, אשר להתגבר על המחסור של טכניקות מסורתיות. טכניקה זו יכולה לשמש לבחינה סטטיסטית של התכונה המכנית של מתכת בגודל גרגר אפילו מתחת ל -10 ננומטר עם תוצאות ניתנות לשחזור ואמינות כדי להכין אטמים תומכי קפטן, השתמש במכונת קידוח לייזר כדי לחתוך את המעגל הפנימי, ואחריו החלק המלבני החיצוני. הממד המלבני הוא שמונה על 1.4 מילימטרים.לאחר מכן, הכינו אטמי בורון אפוקסי מדיסק בורון בקוטר 10 מילימטר על ידי ליטוש ידני של הדיסקים הגולמיים עם נייר זכוכית לעובי של 60 עד 100 מיקרומטר. לאחר מכן לחתוך את המעגלים הפנימיים ואת המעגל החיצוני עם מכונת קידוח לייזר. חזור והפסיק את ההליך מיד כאשר האטם הקדוח בגודל הנכון והמרכזי יורד.לאחר מכן, כדי להרכיב את האטמים, הניחו אטם תומך קפטן על מגלשת זכוכית והניחו אטם בורון קדוח על החור הפנימי של אטם הקפטן, כדי להבטיח שהקצה הגדול יותר של אטם הבורון נמצא בחלק העליון. לאחר מכן הניחו עוד מגלשת זכוכית נקייה בחלק העליון, החזיקו אותה בחוזקה ולחצו עד שטאטם הבורון מוכנס בחוזקה לחור של אטם הקפטן. אחסנו את מכלולי האטם המפוברקים בין שתי מגלשות זכוכית נקיות ועטפו אותן בנייר דבק לשימוש עתידי.כדי להרכיב את מכלול האטם, סמנו נקודה המאתרת את מרכז היהלום על צג המחשב המחובר למיקרוסקופ האופטי, ולאחר מכן הרכיבו את אטם האפוקסי של הבורון וסמנו את מרכז חור האטם. לאחר מכן, השתמש במגלשת זכוכית כדי ללחוץ על מכלול האטם כך שהאטם ישקע בחוזקה על היהלום של הבוכנה. לניקוי ודחיסת מערך האטם, טענו דגימות בגודל נתח קטן יותר מחור האטם, כך שאין הצפה של חומרים על משטח האטם.לאחר טעינת פיסת דגימה חדשה, סגור את התא כדי להשיג קומפקטיות. השתמש בצילום רנטגן סינכרוטרון מונוכרומטי כדי לערוך ניסויי עקיפה. מקד את קרן הרנטגן לכשטח פנים של 30 על 30 על 30 מיקרומטר מרובע בדגימה.אסוף את תבניות עקיפת קרני הרנטגן במרווחי לחץ של ג'יגה-פסקל אחד עד שניים על-ידי לוח תמונה דו-ממדי ברזולוציה של 100 מיקרומטר לפיקסל. תחת דחיסה הידרוסטטית, קווי עקיפה לא מגוללים של קרני רנטגן צריכים להיות ישרים ולא מעוקלים. תחת לחץ לא הידרוסטטי, העקמומיות גדלה באופן משמעותי עם ירידת גודל התבואה בלחצים דומים, מה שמרמז על חיזוק מכני מתמשך.בלחצים דומים, הלחץ הדיפרנציאלי של הניקל בגודל שלושה ננומטר הוא הגבוה ביותר. בתמונות מיקרוסקופיית אלקטרונים של ניקל ייצוגי, מרווה מכ-40 ג'יגה-פסקלים, ניתן לראות בדגימת ה-20 ג'יגה-פקקים גבוהה כצפוי. לעומת זאת, ננו-תאומים נלכדים היטב בניקל הננו-גבישי המשוחזר בלחץ גבוה ומלווה בכמה תקלות בערימה.בקיצור, תאומות המושרות על ידי תקלות ערימה שנצפו במדידות אלה מקורן בגרעין ובתנועה של נקעים חלקיים. אנחנו צריכים לטעון את הדגימה כראוי כדי לוודא שהתא מלא באבקה והאטם לא ייסדק בלחץ גבוה. אנו יכולים לבצע מגבלת TM תחת דגימת שחזור ולאחר מכן לבחון את המיקרו-מבנה ואת פגם העיוות לקביעת מנגנון העיוות.השתמשנו בטכניקה זו גם כדי לחקור כנושא מחקר כגון בדיקת סיבוב ירוק בקריאת אנרגיה בקנה מידה ננומטרי, השכיבה של הננו-קרמיקה.

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

קביעת שדות זרימה 3D באמצעות מצלמה מרובה אור תחום הדמיה

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

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

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

יציקת פרוטוקולים לייצור תא הפתוח קצף אלומיניום על ידי טכניקת השכפול והשפעת על נקבוביות

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

ניסויים בUltrasonic שימון שימוש Tribometer סייע-Piezoelectrically וProfilometer האופטי

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

ייצור עקיף של סריג מתכות סעיפים דקים באמצעות יציקה צנטריפוגלי

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

קליטת נתוני פרוטוקול קביעת פונקציות רגישות Embedded

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

פלטפורמה רובוטית לחקר Foreflipper של אריה ים קליפורני

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

דור קרח ואת מעבר החום ומסת התופעות של מי היכרות על אמבט קר של בריין

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 ...