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 anerkjenner støtte fra National Natural Science Foundation of China (NSFC) under tilskuddstall 11621062, 11772294, U1530402 og 11811530001. Denne forskningen ble også delvis støttet av China Postdoctoral Science Foundation (2021M690044). Denne forskningen brukte ressursene til Advanced Light Source, som er et DOE Office of Science User Facility under kontraktsnummer DE-AC02-05CH11231 og Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Denne forskningen ble delvis støttet av COMPRES, Consortium for Materials Properties Research in Earth Sciences under NSF Cooperative Agreement EAR 1606856.

1. Prøvepreparering
<ol><li>Få 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm og 500 nm nikkelpulver fra kommersielle kilder (se Materialliste). Morfologikarakteriseringen vises i figur 1.</li>
	<li>Forbered 8 nm nikkelpartikler ved oppvarming av 3 nm nikkelpartikler ved hjelp av en reaksjonskoker (se Materialtabell).<ol>
<li>Sett ~20 ml absolutt etanol og ~50 mg 3 nm nikkelpulver i reaksjonskokeren. MERK: Hele oppløsningen skal ikke nå ~70...

Beregningssimuleringer har vært mye brukt til å studere kornstørrelseseffekten på styrken av nanometaler 5,6,16,17,27,42. Perfekte dislokasjoner, delvis dislokasjon og GB-deformasjon er foreslått for å spille avgjørende roller i deformasjonsmekanismene til nanomaterialer. I en molekylær dynamikksimulering foreslo Yama...

Motstanden mot plastisk deformasjon bestemmer materialenes styrke. Styrken på metallene øker vanligvis med de avtagende kornstørrelsene. Dette størrelsesforsterkende fenomenet kan godt illustreres av den tradisjonelle Hall-Petch-relasjonsteorien fra millimeter ned til submikronregimet 1,2, som er basert på dislokasjonsmediert deformasjonsmekanisme av store metaller, det vil si dislokasjoner hoper seg opp ved korngrenser (GBs) og hindrer deres bevegelser, noe som fører til mekanisk styrking i metaller 3,4.
Derimot har mekanisk mykning, ofte referert til som det omvendte Hall-Petch-forholdet, blitt rapportert for fine nanometaler de siste to tiårene 5,6,7,8,9,10. Derfor er styrken på nanometalene fortsatt forvirrende da kontinuerlig herding ble påvist for kornstørrelser ned til ~ 10 nm11,12, mens tilfellene av størrelsesmykning under 10 nm regime også ble rapportert 7,8,9,10. Hovedproblemet eller utfordringen for dette omdiskutable temaet er å foreta statistisk reproduserbare målinger på de mekaniske egenskapene til ultrafine nanometaler og etablere en pålitelig sammenheng mellom styrken og kornstørrelsen til nanometalene. En annen del av vanskeligheten kommer fra tvetydigheten i nanometalenes plastiske deformasjonsmekanismer. Ulike feil eller prosesser ved nanoskala er rapportert, inkludert dislokasjoner13,14, deformasjon twinning 15,16,17, stabling feil 15,18, GB migrasjon19, GB glidende 5,6,20,21, kornrotasjon 22,23,24, atombindingsparametere 25,26,27,28, etc. Men hvilken som dominerer plastdeformasjonen og dermed bestemmer styrken på nanometaler, er fortsatt uklart.
For disse ovennevnte problemene er tradisjonelle tilnærminger til mekanisk styrkeundersøkelser, for eksempel strekkprøve29, Vickers hardhetstest 30,31, nanoinnrykkstest32, mikropillarkompresjon 33,34,35, etc. mindre effektive fordi den høye kvaliteten på store biter av nanostrukturerte materialer er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for de store materialene er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen (for de nanostrukturerte materialene er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er så vanskelig å fremstille og konvensjonell innrykk er mye større enn enkelt nanopartikler av materialer (for den store materialmassen er enkeltpartikkelmekanikk). I denne studien introduserer vi radiale DAC XRD-teknikker 36,37,38 til materialvitenskap for å in situ spore utbyttet stress og deformasjon teksturering av nano nikkel av ulike kornstørrelser, som brukes i geovitenskapfeltet i tidligere studier. Det har vist seg at den mekaniske styrkingen kan utvides ned til 3 nm, mye mindre enn de tidligere rapporterte mest betydelige størrelsene på nanometaler, noe som forstørrer regimet for konvensjonell Hall-Petch-forhold, noe som innebærer betydningen av rDAC XRD-teknikker til materialvitenskap.

<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 styrkingen av metaller er den langvarige utfordringen og det populære temaet materialvitenskap i industri og akademia. Størrelsesavhengigheten av styrken til nanometalene har tiltrukket seg mye interesse. Imidlertid har karakterisering av styrken på materialer i nedre nanometerskala vært en stor utfordring fordi de tradisjonelle teknikkene ikke lenger blir effektive og pålitelige, for eksempel nanoinnrykk, mikropillarkompresjon, strekk, etc. Den nåværende protokollen benytter radial diamant-amboltcelle (rDAC) røntgendiffraksjonsteknikker (XRD) for å spore differensialstressendringer og bestemme styrken til ultrafine metaller. Det er funnet at ultrafine nikkelpartikler har mer signifikant utbyttestyrke enn grovere partikler, og størrelsen styrking av nikkel fortsetter ned til 3 nm. Dette viktige funnet avhenger enormt av effektive og pålitelige karakteriseringsteknikker. rDAC XRD-metoden forventes å spille en betydelig rolle i å studere og utforske nanomaterialemekanikk.

Under hydrostatisk kompresjon skal utrullede røntgendiffraksjonslinjer være rette, ikke buede. Men under ikke-hydrostatisk trykk øker krumningen (elliptikken til XRD-ringene, som oversettes til ikke-lineariteten til linjene som er plottet langs asimutvinkelen) betydelig ultrafinkornet nikkel ved lignende trykk (figur 4). Ved et lignende trykk er differensialstammen av nikkel på 3 nm størrelse den høyeste. De mekaniske styrkeresultatene (spenningsspenningskurver) er vist i <strong class...

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 som presenteres her beskriver høytrykks radiale diamant-amboltcelleeksperimenter og analyserer de relaterte dataene, som er avgjørende for å oppnå nanomaterialers mekaniske styrke med et betydelig gjennombrudd for den tradisjonelle tilnærmingen.

Bestemme den mekaniske styrken til ultra-finkornede 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 partikkelen lar oss spore endringen av forskjellig stress og bestemme styrken til ASFA-metall, som overvinner mangelen på tradisjonelle teknikker. Denne teknikken kan brukes til statistisk å undersøke den mekaniske egenskapen til selv sub 10 nanometer kornstørrelse metall med en reproduserbar og pålitelig resultater For å forberede kaptein som støtter pakninger, bruk laserboremaskin for å kutte den indre sirkelen, etterfulgt av den ytre rektangulære delen. Den rektangulære dimensjonen er åtte ganger 1,4 millimeter.Deretter forbereder du bor epoksypakninger fra en borskive med en diameter på 10 millimeter ved å polere råskivene manuelt med sandpapir til en tykkelse på 60 til 100 mikrometer. Klipp deretter de indre sirklene og den ytre sirkelen med en laserboremaskin. Gjenta og stopp prosedyren umiddelbart når den høyre størrelsen og den midterste borede pakningen kommer av.Deretter, for å montere pakningene, plasser en kaptein som støtter pakning på en glasssklie og legg en borpakning på det indre hullet på kapteinspakningen, og sørg for at den større enden av borpakningen er øverst. Sett deretter en annen ren glasssklie på toppen, hold den fast og trykk til borpakningen er godt satt inn i hullet på kapteinspakningen. Oppbevar de fabrikkerte pakningsenhetene mellom to rene glasssklier og pakk dem inn med limbånd for fremtidig bruk.For å montere pakningsenheten, merk en prikk som lokaliserer midten av diamanten på dataskjermen som er koblet til det optiske mikroskopet, monter deretter bor epoksypakningen og merk midten av pakningshullet. Deretter bruker du en glasssklie til å trykke ned pakningsenheten slik at pakningen sitter fast på stempelets diamant. For rengjøring og komprimering av pakningsoppsettet, lastprøver med en delstørrelse mindre enn pakningshullet, slik at det ikke er overløp av materialer på pakningsoverflaten.Etter å ha lastet inn et nytt stykke prøve, lukk cellen for å oppnå kompaktitet. Bruk en monokromatisk synkrotron røntgen for å utføre diffraksjonseksperimenter. Fokuser røntgenstrålen på omtrent et 30 x 30 kvadratisk mikrometer overflateareal på prøven.Samle røntgendiffraksjonsmønstrene med trykkintervaller på en til to gigapascals med en todimensjoners bildeplate med en oppløsning på 100 mikrometer per piksel. Under hydrostatisk kompresjon skal utrullede røntgendiffraksjonslinjer være rette, ikke buede. Under ikke hydrostatisk trykk øker krumningen betydelig med den avtagende kornstørrelsen ved lignende trykk, noe som tyder på kontinuerlig mekanisk styrking.Ved lignende trykk er differensialspenningen til de tre nanometerstørrelsen nikkel den høyeste. I transmisjonselektronmikroskopibilder av representativ nikkel, slokket fra rundt 40 gigapascals, ses et høyt innhold av dislokasjoner i kurskornet prøve som forventet. I kontrast er nano tvillinger godt fanget i høytrykket gjenvunnet nano krystallinsk nikkel ledsaget av noen stabling feil.Kort sagt, twining indusert ved stabling feil observert i disse målingene stammer fra kjernedannelse og bevegelse av delvis dislokasjoner. Vi må laste prøven riktig for å sikre at kammeret er fullt av pulver og pakningen ikke vil sprekke ved høyt trykk. Vi kan utføre TM-grense under utvinningsprøve og deretter undersøke mikrostruktur og deformasjonsfeil for å bestemme deformasjonsmekanismen.Vi har også brukt denne teknikken til å utforske som et forskningstema som å undersøke grønn rotasjon ved en nanoskala energiavlesning, duktiliteten til nanokeramikken.

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

Bestemme 3D strømningsfelt via Multi-kamera lysfeltet 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

Rask Imaging teknikken til å studere Drop Impact Dynamics of Non-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 for produksjon av Open Cell Aluminum Skum av Replication Teknikk og Effekt 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

Eksperimenter på Ultralyd Smøring Ved hjelp av en piezoelektrisk assistert Tribometer 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 Fabrikasjon av Gitter Metals med tynne snitt Bruke Sentrifugal 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 Protokoll for Bestemme Embedded Følsomhet funksjoner

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 plattform å studere Foreflipper av 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 varme- og massetransport Phenomena av innføring av vann til et kaldt bad i saltlake

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 ...