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 erkänner stöd från National Natural Science Foundation of China (NSFC) under bidragsnummer 11621062, 11772294, U1530402 och 11811530001. Denna forskning stöddes också delvis av China Postdoctoral Science Foundation (2021M690044). Denna forskning använde resurserna i Advanced Light Source, som är en DOE Office of Science User Facility under kontraktsnummer DE-AC02-05CH11231 och Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Denna forskning stöddes delvis av COMPRES, Consortium for Materials Properties Research in Earth Sciences under NSF Cooperative Agreement EAR 1606856.

1. Provberedning
<ol><li>Erhålla 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm och 500 nm nickelpulver från kommersiella källor (se Materialtabell). Morfologikarakteriseringen visas i figur 1.</li>
	<li>Bered 8 nm nickelpartiklar genom att värma 3 nm nickelpartiklar med hjälp av en reaktionskokare (se Materialtabell).<ol>
<li>Lägg ~ 20 ml absolut etanol och ~ 50 mg 3 nm nickelpulver i reaktionskokaren. OBS: Hela lösningen ska inte nå ~...

Beräkningssimuleringar har använts i stor utsträckning för att studera kornstorlekseffekten på styrkan hos nanometaller 5,6,16,17,27,42. Perfekta dislokationer, partiella dislokationer och GB-deformation har föreslagits spela avgörande roller i nanomaterialens deformationsmekanismer. I en molekylär dynamiksimulering f...

Motståndet mot plastisk deformation bestämmer materialens styrka. Metallernas styrka ökar vanligtvis med de minskande kornstorlekarna. Detta storleksstärkande fenomen kan väl illustreras av den traditionella Hall-Petch-relationsteorin från millimeter ner till submikronregimen 1,2, som är baserad på den dislokationsmedierade deformationsmekanismen hos bulkmetaller, dvs dislokationer staplas upp vid korngränser (GB) och hindrar deras rörelser, vilket leder till mekanisk förstärkning i metaller 3,4.
Däremot har mekanisk mjukning, ofta kallad det omvända Hall-Petch-förhållandet, rapporterats för fina nanometaller under de senaste två decennierna 5,6,7,8,9,10. Därför är nanometallernas styrka fortfarande förbryllande eftersom kontinuerlig härdning detekterades för kornstorlekar ner till ~ 10 nm11,12, medan fallen av storleksmjukning under 10 nm-regimen också rapporterades 7,8,9,10. Den största svårigheten eller utmaningen för detta debatterade ämne är att göra statistiskt reproducerbara mätningar av de mekaniska egenskaperna hos ultrafina nanometaller och upprätta en tillförlitlig korrelation mellan nanometallernas styrka och kornstorlek. En annan del av svårigheten kommer från tvetydigheten i nanometallernas plastiska deformationsmekanismer. Olika defekter eller processer i nanoskala har rapporterats, inklusive dislokationer13,14, deformation twinning 15,16,17, staplingsfel 15,18, GB migration19, GB glidning 5,6,20,21, kornrotation 22,23,24, atombindningsparametrar 25,26,27,28, etc. Vilken som dominerar den plastiska deformationen och därmed bestämmer styrkan hos nanometaller är dock fortfarande oklart.
För dessa ovanstående frågor är traditionella metoder för mekanisk hållfasthetsunderforskning, såsom dragprov29, Vickers hårdhetstest 30,31, nano-indragningstest32, mikropillarkompression 33,34,35, etc. mindre effektiva eftersom den höga kvaliteten på stora bitar av nanostrukturerade material är så svår att tillverka och konventionell indenter är mycket större än en enda nanopartikel av material (för enpartikelmekanik). I denna studie introducerar vi radiella DAC XRD-tekniker 36,37,38 till materialvetenskap för att på plats spåra avkastningsspänningen och deformationstexturen av nanonickel av olika kornstorlekar, som används inom geovetenskapsområdet i tidigare studier. Det har visat sig att den mekaniska förstärkningen kan förlängas ner till 3 nm, mycket mindre än de tidigare rapporterade mest betydande storlekarna av nanometaller, vilket förstorar regimen för konventionell Hall-Petch-relation, vilket innebär betydelsen av rDAC XRD-tekniker för materialvetenskap.

<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 mekaniska förstärkningen av metaller är den långvariga utmaningen och det populära ämnet materialvetenskap inom industrier och akademi. Storleksberoendet av nanometallernas styrka har väckt stort intresse. Att karakterisera materialets styrka på den lägre nanometerskalan har dock varit en stor utmaning eftersom de traditionella teknikerna inte längre blir effektiva och tillförlitliga, såsom nano-indragning, mikropillarkompression, dragkraft etc. Det nuvarande protokollet använder radiella diamant-städcell (rDAC) röntgendiffraktionstekniker (XRD) för att spåra differentiella spänningsförändringar och bestämma styrkan hos ultrafina metaller. Det har visat sig att ultrafina nickelpartiklar har mer signifikant sträckgräns än grövre partiklar, och storleksförstärkningen av nickel fortsätter ner till 3 nm. Detta viktiga fynd beror oerhört på effektiva och pålitliga karakteriseringstekniker. RDAC XRD-metoden förväntas spela en viktig roll för att studera och utforska nanomaterialmekanik.

Under hydrostatisk kompression bör orullade röntgendiffraktionslinjer vara raka, inte krökta. Under icke-hydrostatiskt tryck ökar emellertid krökningen (XRD-ringarnas ellipticitet, vilket översätts till icke-linjäriteten hos linjerna ritade längs azimutvinkeln) signifikant ultrafinkornig nickel vid liknande tryck (Figur 4). Vid ett liknande tryck är differensstammen av nickel med 3 nm den högsta. Resultaten av mekanisk hållfasthet (spännings-töjningskurvor) visas i <strong clas...

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

Protokollet som presenteras här beskriver högtrycksradiella diamant-mothållscellexperiment och analyserar relaterade data, som är väsentliga för att erhålla nanomaterialens mekaniska styrka med ett betydande genombrott för det traditionella tillvägagångssättet.

Bestämning av den mekaniska styrkan hos ultrafinkorniga metaller

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

Den kornade partikeln tillåter oss att spåra förändringen av olika stress och bestämma styrkan hos ASFA-metall, som övervinner bristen på traditionella tekniker. Denna teknik kan användas för att statistiskt undersöka den mekaniska egenskapen hos även sub 10 nanometer kornstorlek metall med reproducerbara och tillförlitliga resultat För att förbereda kaptenbärande packningar, använd laserborrmaskin för att skära den inre cirkeln, följt av den yttre rektangulära delen. Den rektangulära dimensionen är åtta med 1,4 millimeter.Förbered sedan borepoxipackningar från en borskiva med en diameter på 10 millimeter genom att manuellt polera de råa skivorna med sandpapper till en tjocklek av 60 till 100 mikrometer. Skär sedan de inre cirklarna och den yttre cirkeln med en laserborrmaskin. Upprepa och stoppa proceduren omedelbart när rätt storlek och mittborrad packning lossna.Därefter, för att montera packningarna, placera en kaptenstödpackning på en glasskiva och placera en borrad borpackning på kaptenpackningens inre hål, så att den större änden av borpackningen är högst upp. Lägg sedan en annan ren glasskiva på toppen, håll den ordentligt och tryck tills borpackningen är ordentligt införd i kaptenens packningshål. Förvara de tillverkade packningsaggregaten mellan två rena glasrutschbanor och linda in dem med tejp för framtida bruk.För att montera packningsenheten, markera en prick som lokaliserar diamantens mitt på datorskärmen som är ansluten till det optiska mikroskopet, montera sedan borepoxipackningen och markera mitten av packningshålet. Använd sedan en glasskiva för att trycka ner packningsenheten så att packningen sätter fast kolvens diamant. För rengöring och komprimering av packningsinställningen, ladda prover med en bitstorlek som är mindre än packningshålet, så att det inte finns något överflöde av material på packningsytan.Efter att ha laddat ett nytt prov, stäng cellen för att uppnå kompaktitet. Använd en monokromatisk synkrotronröntgen för att utföra diffraktionsexperiment. Fokusera röntgenstrålen till ungefär en yta på 30 x 30 kvadratmeter på provet.Samla röntgendiffraktionsmönstren med tryckintervall på en till två gigapascal med en tvådimensionell bildplatta med en upplösning på 100 mikrometer per pixel. Under hydrostatisk kompression bör orullade röntgen-dIffraktionslinjer vara raka och inte krökta. Under icke hydrostatiskt tryck ökar krökningen signifikant med den minskande kornstorleken vid liknande tryck, vilket tyder på kontinuerlig mekanisk förstärkning.Vid liknande tryck är differensspänningen hos nickel med tre nanometer den högsta. I transmissionselektronmikroskopibilder av representativt nickel, släckt från cirka 40 gigapascal, ses ett högt innehåll av dislokationer i kurskornprovet som förväntat. Däremot fångas nanotvillingar väl i högtrycksåterfunnen nanokristallin nickel åtföljd av vissa staplingsfel.Kort sagt, twining inducerad av staplingsfel som observerats i dessa mätningar härrör från kärnbildning och rörelse av partiella dislokationer. Vi måste ladda provet ordentligt för att säkerställa att kammaren är full av pulver och packningen inte skulle spricka vid högt tryck. Vi kan utföra TM-gräns under återvinningsprov och sedan undersöka mikrostrukturen och deformationsdefekten för att bestämma deformationsmekanismen.Vi har också använt denna teknik för att utforska som ett forskningsämne som att undersöka grön rotation vid en nanoskala energiavläsning, duktiliteten hos nanokeramiken.

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

Bestämma 3D Flow Fält via flera kameror ljusfält 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

Snabb bildteknik för att studera Drop Impact Dynamics av ​​icke-newtonska vätskor

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 Protokoll för produktion av Open Cell Aluminium Skum av replikering Teknik och Effekt på Porositet

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

Experiment på Ultraljud Smörjning med hjälp av en piezoelektriskt assisterad tribometer och 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

Indirekt Tillverkning av Lattice metaller med tunna sektioner Använda centrifugalgjutning

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 för bestämning Embedded Känslighet funktioner

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 Robotic plattform för att studera Foreflipper i Kalifornien sjölejon

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

Is Generation och värmen och masstransport Fenomen av införande av vatten till ett kallt bad saltlösning

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 ...