Name: determining the mechanical strength of ultra-fine-grained metals
Uploaded: 2021-11-22T13:00:00
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Reconhecemos o apoio da Fundação Nacional de Ciência Natural da China (NSFC) sob números de bolsas 11621062, 11772294, U1530402 e 11811530001. Esta pesquisa também foi parcialmente apoiada pela China Postdoctoral Science Foundation (2021M690044). Esta pesquisa utilizou os recursos da Advanced Light Source, que é uma Instalação de Usuário do DoE Office of Science sob o número do contrato DE-AC02-05CH11231 e do Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Esta pesquisa foi parcialmente apoiada pelo COMPRES, o Consórcio de Pesquisa de Propriedades de Materiais em Ciências da Terra sob o Acordo Cooperativo da NSF EAR 1606856.

1. Preparação da amostra
<ol><li>Obtenha 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm e 500 nm de níquel em pó de fontes comerciais (ver Tabela de Materiais). A caracterização da morfologia é mostrada na Figura 1.</li>
	<li>Prepare partículas de níquel de 8 nm aquecendo partículas de níquel de 3 nm usando uma chaleira de reação (ver Tabela de Materiais).<ol>
<li>Coloque ~20 mL de etanol absoluto e ~50 mg de 3 nm de níquel em pó...

Simulações computacionais têm sido amplamente utilizadas para estudar o efeito do tamanho do grão na força das nanonmetais 5,6,16,17,27,42. Deslocamentos perfeitos, deslocamentos parciais e deformação de GB foram propostos para desempenhar papéis decisivos nos mecanismos de deformação dos nanomateriais. Em uma simul...

A resistência à deformação plástica determina a resistência dos materiais. A força dos metais geralmente aumenta com a diminuição do tamanho dos grãos. Este fenômeno de fortalecimento de tamanho pode ser bem ilustrado pela teoria tradicional da relação Hall-Petch do milímetro até o regime de submicron 1,2, que se baseia no mecanismo de deformação mediado por deslocamento de metais de tamanho a granel, ou seja, deslocamentos se acumulam nos limites de grãos (GBs) e dificultam seus movimentos, levando ao fortalecimento mecânico em metais 3,4.
Em contraste, o amolecimento mecânico, muitas vezes referido como a relação inversa Hall-Petch, foi relatado para nanometais finos nas últimas duas décadas 5,6,7,8,9,10. Portanto, a força das nanometais ainda é intrigante, pois o endurecimento contínuo foi detectado para tamanhos de grãos até ~10 nm11,12, enquanto os casos de amolecimento de tamanho abaixo do regime de 10 nm também foram relatados 7,8,9,10. A principal dificuldade ou desafio para este tema debatido é fazer medições estatisticamente reprodutíveis sobre as propriedades mecânicas de nanometais ultrafinas e estabelecer uma correlação confiável entre a força e o tamanho do grão das nanômetros. Outra parte da dificuldade vem da ambiguidade nos mecanismos de deformação plástica das nanonmetais. Vários defeitos ou processos na nanoescala foram relatados, incluindo deslocamentos 13,14, deformação de 15,16,17, falhas de empilhamento 15,18, migração GB19, GB deslizando 5,6,20,21, rotação de grãos 22,23,24, parâmetros de ligação atômica 25,26,27,28, etc. No entanto, qual domina a deformação plástica e, portanto, determina a força das nanometais ainda não está clara.
Para essas questões acima, abordagens tradicionais de análise de força mecânica, como teste de tração29, teste de dureza vickers30,31, teste de nano-recuo32, compressão micropillar 33,34,35, etc. são menos eficazes porque a alta qualidade de grandes peças de materiais nanoestruturados é tão difícil de fabricar e o indenter convencional é muito maior do que nanopartículas simples de materiais (para os mecânica de partículas únicas). Neste estudo, introduzimos técnicas radiais da DAC XRD 36,37,38 à ciência material para rastrear o estresse de rendimento e a texturização de deformação de nano níquel de vários tamanhos de grãos, que são utilizados no campo da geociência em estudos anteriores. Verificou-se que o fortalecimento mecânico pode ser estendido até 3 nm, muito menor do que os tamanhos mais substanciais de nanmetais relatados anteriormente, o que amplia o regime da relação Hall-Petch convencional, implicando a significância das técnicas rDAC XRD para a ciência material.

<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

O fortalecimento mecânico dos metais é o desafio de longa data e tema popular da ciência dos materiais nas indústrias e na academia. A dependência de tamanho da força dos nanometais vem atraindo muito interesse. No entanto, caracterizar a força dos materiais na escala de nanômetros inferior tem sido um grande desafio porque as técnicas tradicionais não se tornam mais eficazes e confiáveis, como nano-recuo, compressão micropillar, tração, etc. O protocolo atual emprega técnicas de difração de raios-X (XRD) de células diamantadas radiais (rDAC) para rastrear mudanças diferenciais de estresse e determinar a força dos metais ultrafinos. Descobriu-se que partículas de níquel ultrafino têm mais força de rendimento significativa do que partículas mais grosseiras, e o tamanho do fortalecimento do níquel continua até 3 nm. Este achado vital depende imensamente de técnicas de caracterização eficazes e confiáveis. Espera-se que o método rDAC XRD desempenhar um papel significativo no estudo e na exploração da mecânica nanomaterial.

Sob compressão hidrostática, as linhas de difusão de raios-X não enroladas devem ser retas, não curvas. No entanto, sob pressão não hidrostática, a curvatura (elíptica dos anéis XRD, que se traduz na não linearidade das linhas traçadas ao longo do ângulo azimute) aumenta significativamente o níquel-granulado ultrafino em pressões semelhantes (Figura 4). Em uma pressão semelhante, a tensão diferencial do níquel de 3 nm é a mais alta. Os resultados de força mecânica (curva...

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Determining the Mechanical Strength of Ultra-Fine-Grained Metals

O protocolo aqui apresentado descreve os experimentos radial radial-bigorna de alta pressão e a análise dos dados relacionados, que são essenciais para obter a força mecânica dos nanomateriais com um avanço significativo para a abordagem tradicional.

Determinando a força mecânica dos metais ultra-finos

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

A partícula granuda nos permite acompanhar a mudança de diferentes estresses e determinar a força do metal ASFA, que supera a deficiência das técnicas tradicionais. Esta técnica pode ser usada para examinar estatisticamente a propriedade mecânica de até mesmo metais de tamanho de grão sub 10 nanômetros com resultados reprodutíveis e confiáveis Para preparar as juntas de suporte ao capitão, use a máquina de perfuração a laser para cortar o círculo interno, seguido pela parte retangular externa. A dimensão retangular é de oito por 1,4 milímetros.Em seguida, prepare as juntas de boro epóxi a partir de um disco de boro de 10 milímetros de diâmetro, polindo manualmente os discos crus com lixa até uma espessura de 60 a 100 micrômetros. Em seguida, corte os círculos internos e o círculo externo com uma máquina de perfuração a laser. Repita e pare o procedimento imediatamente quando a junta perfurada do tamanho direito e central sair.Em seguida, para montar as juntas, coloque uma junta de apoio do capitão em um escorregador de vidro e coloque uma junta de boro perfurada no buraco interno da junta do capitão, garantindo que a extremidade maior da junta de boro esteja no topo. Em seguida, coloque outro deslizamento de vidro limpo na parte superior, segure-o firmemente e pressione até que a junta de boro esteja firmemente inserida no orifício da junta do capitão. Armazene os conjuntos de juntas fabricadas entre dois slides de vidro limpos e enrole-os com fita cola para uso futuro.Para montar o conjunto da junta, marque um ponto que localize o centro do diamante no monitor do computador conectado ao microscópio óptico, em seguida, monte a junta epóxi de boro e marque o centro do orifício da junta. Em seguida, use um slide de vidro para pressionar o conjunto da junta de tal forma que a junta firmemente fixa no diamante do pistão. Para limpar e compactar a configuração da junta, carregue amostras com um tamanho de pedaço menor que o orifício da junta, de talto que não haja transbordamento de materiais na superfície da junta.Depois de carregar uma nova amostra, feche a célula para alcançar a compactação. Use um raio-x síncrotron monocromático para realizar experimentos de difração. Concentre o feixe de raios-X em aproximadamente uma área de superfície de 30 por 30 micrômetros quadrados na amostra.Colete os padrões de difração de raios-X em intervalos de pressão de um a dois gigapascals por uma placa de imagem de duas dimensões com uma resolução de 100 micrômetros por pixel. Sob compressão hidrostática, as linhas de dIffraction de raios-X não enroladas devem ser retas e não curvas. Sob pressão não hidrostática, a curvatura aumenta significativamente com a diminuição do tamanho do grão em pressões semelhantes, sugerindo fortalecimento mecânico contínuo.Em pressões semelhantes, o estresse diferencial do níquel de três nanômetros é o mais alto. Na transmissão de imagens de microscopia eletrônica de níquel representativo, saciada de cerca de 40 gigapascals, um alto teor de deslocamentos é visto na amostra de grãos de curso como esperado. Em contraste, nano gêmeos são bem capturados no níquel nano cristalino recuperado de alta pressão acompanhado de algumas falhas de empilhamento.Em suma, o cordão induzido por falhas de empilhamento observadas nessas medidas origina-se da nucleação e movimento de deslocamentos parciais. Precisamos carregar a amostra corretamente para garantir que a câmara esteja cheia de pó e a junta não racharia em alta pressão. Podemos executar o limite de TM sob amostra de recuperação e, em seguida, examinar a microestrutura e o defeito de deformação para determinar o mecanismo de deformação.Também usamos essa técnica para explorar como um tema de pesquisa, como sondar a rotação verde em uma leitura de energia em nano escala, a ductilidade das nano cerâmicas.

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