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

Мы признаем поддержку со стороны Национального фонда естественных наук Китая (NSFC) по номерам грантов 11621062, 11772294, U1530402 и 11811530001. Это исследование также было частично поддержано Китайским постдокторским научным фондом (2021M690044). В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Light Source, который является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики США по контрактному номеру DE-AC02-05CH11231 и Шанхайской установки синхротронного излучения. Это исследование было частично поддержано COMPRES, Консорциумом по исследованию свойств материалов в науках о Земле в соответствии с Соглашением о сотрудничестве NSF EAR 1606856.

1. Пробоподготовка
<ol><li>Получение никелевого порошка 3 нм, 20 нм, 40 нм, 70 нм, 100 нм, 200 нм и 500 нм из коммерческих источников (см. Таблицу материалов). Характеристика морфологии показана на рисунке 1.</li>
	<li>Получение частиц никеля 8 нм путем нагревания 3 нм части...

Вычислительное моделирование широко используется для изучения влияния размера зерна на прочность нанометаллов 5,6,16,17,27,42. Было предложено, чтобы идеальные дислокации, частичные ...

Устойчивость к пластической деформации определяет прочность материалов. Прочность металлов обычно увеличивается с уменьшением размеров зерен. Это явление усиления размеров может быть хорошо проиллюстрировано традиционной теорией отношений Холла-Петча от миллиметра до субмикронного режима 1,2, которая основана на дислокационно-опосредованном механизме деформации объемных металлов, то есть дислокации накапливаются на границах зерен (ГБ) и препятствуют их движениям, что приводит к механическому усилению в металлах 3,4.
Напротив, механическое размягчение, часто называемое обратным соотношением Холла-Петча, было зарегистрировано для тонких нанометаллов за последние два десятилетия 5,6,7,8,9,10. Таким образом, прочность нанометаллов все еще вызывает недоумение, поскольку непрерывное затвердевание было обнаружено для размеров зерен до ~ 10 нм11,12, в то время как случаи размягчения размера ниже режима 10 нм также были зарегистрированы 7,8,9,10. Основная трудность или вызов для этой обсуждаемой темы заключается в том, чтобы провести статистически воспроизводимые измерения механических свойств ультрадисперсных нанометаллов и установить надежную корреляцию между прочностью и размером зерен нанометаллов. Другая часть сложности связана с неоднозначностью механизмов пластической деформации нанометаллов. Сообщалось о различных дефектах или процессах на наноуровне, включая дислокации 13,14, деформацию побратимства 15,16,17, ошибки укладки 15,18, миграцию GB19, скольжение GB 5,6,20,21, вращение зерна 22,23,24, параметры атомной связи 25,26,27,28 и т.д. Однако какой из них доминирует в пластической деформации и, таким образом, определяет прочность нанометаллов, до сих пор неясно.
Для этих вышеуказанных вопросов традиционные подходы к исследованию механической прочности, такие как испытание на растяжение29, испытание на твердость по Виккерсу 30,31, тест на наноиндентацию32, микропилларное сжатие 33,34,35 и т. Д., Менее эффективны, потому что высокое качество больших кусков наноструктурированных материалов настолько сложно изготовить, а обычный индентер намного больше, чем одна наночастица материалов (для механика одиночных частиц). В этом исследовании мы вводим радиальные методы DAC XRD 36,37,38 в материаловедение для in situ отслеживания пределов текучести и текстурирования деформации наноникеля различных размеров зерен, которые использовались в области геонаук в предыдущих исследованиях. Было обнаружено, что механическое усиление может быть расширено до 3 нм, что намного меньше, чем ранее сообщенные наиболее существенные размеры нанометаллов, что расширяет режим обычных отношений Холла-Петча, подразумевая значение методов rDAC XRD для материаловедения.

<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

Механическое упрочнение металлов является давней проблемой и популярной темой материаловедения в промышленности и научных кругах. Размерная зависимость прочности нанометаллов вызывает большой интерес. Тем не менее, характеристика прочности материалов в нижнем нанометровом масштабе была большой проблемой, потому что традиционные методы становятся более неэффективными и надежными, такие как нано-углубление, микросвильное сжатие, растяжение и т. Д. Текущий протокол использует методы рентгеновской дифракции (XRD) радиальной алмазно-наковальни (rDAC) для отслеживания дифференциальных изменений напряжений и определения прочности ультратонких металлов. Установлено, что ультрадисперсные частицы никеля обладают более значительным пределом текучести, чем более грубые частицы, а усиление размера никеля продолжает снижаться до 3 нм. Этот жизненно важный вывод в огромной степени зависит от эффективных и надежных методов характеристики. Ожидается, что метод rDAC XRD будет играть значительную роль в изучении и изучении механики наноматериалов.

При гидростатическом сжатии развернутые рентгеновские дифракционные линии должны быть прямыми, а не изогнутыми. Однако при негидростатическом давлении кривизна (эллиптичность XRD-колец, которая переводится в нелинейность линий, построенных по азимутальному углу) значительно увеличив...

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

Представленный здесь протокол описывает радиальные эксперименты высокого давления с алмазно-наковальней и анализ связанных с ними данных, которые необходимы для получения механической прочности наноматериалов со значительным прорывом к традиционному подходу.

Определение механической прочности сверхмелкозернистых металлов

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

Зернистые частицы позволяют отслеживать изменение различных напряжений и определять прочность металла ASFA, что позволяет преодолеть дефицит традиционных методик. Этот метод может быть использован для статистического исследования механических свойств даже металла размером зерен менее 10 нанометров с воспроизводимыми и надежными результатами Чтобы подготовить капитанские опорные прокладки, используйте лазерный сверлильный станок для разрезания внутреннего круга, за которым следует внешняя прямоугольная часть. Прямоугольный размер составляет восемь на 1,4 миллиметра.Далее подготовьте борные эпоксидные прокладки из борного диска диаметром 10 миллиметров, вручную полировав сырые диски наждачной бумагой до толщины от 60 до 100 микрометров. Затем вырежьте внутренние круги и внешний круг с помощью лазерного сверлильного станка. Повторите и немедленно остановите процедуру, когда оторвана прокладка правильного размера и центра.Затем, чтобы собрать прокладки, поместите опорную прокладку капитана на стеклянную горку и поместите просверленную прокладку бора на внутреннее отверстие прокладки капитана, гарантируя, что больший конец борной прокладки находится наверху. Затем положите сверху еще одну чистую стеклянную горку, крепко держите ее и прессуйте до тех пор, пока прокладка из бора не будет прочно вставлена в отверстие прокладки капитана. Храните изготовленные прокладки в сборе между двумя чистыми стеклянными слайдами и оберните их клеевой лентой для дальнейшего использования.Чтобы смонтировать прокладку в сборе, отметьте точку, расположенную в центре алмаза, на мониторе компьютера, подключенном к оптическому микроскопу, затем установите эпоксидную прокладку из бора и отметьте центр отверстия прокладки. Затем используйте стеклянную горку, чтобы прижать узел прокладки так, чтобы прокладка прочно застыла на алмазе поршня. Для очистки и уплотнения прокладки нагружайте образцы куском размером меньше отверстия прокладки, чтобы на поверхности прокладки не было переполнения материалов.После загрузки нового образца закройте ячейку для достижения компактности. Используйте монохроматический синхротронный рентгеновский снимок для проведения дифракционных экспериментов. Сфокусируйте рентгеновский луч примерно на площади поверхности образца 30 на 30 квадратных микрометров.Соберите рентгеновские дифракционные картины с интервалами давления от одного до двух гигапаскалей с помощью двухмерной графической пластины с разрешением 100 микрометров на пиксель. При гидростатическом сжатии развернутые рентгеновские линии дифракции должны быть прямыми, а не изогнутыми. При негидростатическом давлении кривизна значительно увеличивается с уменьшением размера зерна при аналогичных давлениях, что предполагает непрерывное механическое укрепление.При аналогичных давлениях дифференциальное напряжение никеля трех нанометрового размера является самым высоким. На изображениях просвечивающей электронной микроскопии репрезентативного никеля, закаленного примерно из 40 гигапаскалей, в зернистом образце, как и ожидалось, наблюдается высокое содержание дислокаций. Напротив, нанодвоины хорошо улавливаются в восстановленном под высоким давлением нанокристаллическом никеле, сопровождаемом некоторыми дефектами укладки.Короче говоря, двоение, вызванное разломами стекирования, наблюдаемыми в этих измерениях, происходит от зародышевывания и движения частичных дислокаций. Нам нужно правильно загрузить образец, чтобы убедиться, что камера полна порошка, и прокладка не треснет при высоком давлении. Мы можем выполнить предел ТМ под восстановительным образцом, а затем исследовать микроструктуру и дефект деформации для определения механизма деформации.Мы также использовали эту технику для изучения в качестве темы исследования, такой как зондирование зеленого вращения при чтении энергии наномасштаба, пластичность нанокерамики.

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

Определение 3D Поля потока через Multi-камеры светового поля изображения

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

Быстрый метод визуализации по изучению падения Impact Динамика неньютоновских жидкостей

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

Кастинг протоколы по производству открытого Сотовые алюминиевые Пены по репликации Техника и влияние на пористость

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

Эксперименты по ультразвуковой смазки Использование пьезоэлектрически содействии Tribometer и оптических профилометром

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

Непрямой изготовлении решетчатых металлов с шлифах с помощью центробежного литья

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

Протокол сбора данных для определения встроенных функций чувствительности

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

Роботизированной платформы по изучению ласт в Калифорнии морской лев

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

Поколение Лед и Тепломассообмен Явления ввода воды в холодную ванну солевого раствора

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 ...