اللدونة والقوة: تصلب intermetallic دون التشديد على الخلع

منذ آلاف السنين ، تعرفت البشرية على مواد مذهلة وجدت تطبيقاتها في مختلف مجالات الحياة. كانت هذه المعادن. نظرًا لأننا في كثير من الأحيان لا يمكننا استخدام ما يعطينا الكوكب ، فقد توصلت العديد من العقول العظيمة بطرق مختلفة لتعزيز / تصلب المعادن. لكن كل شيء له حدوده الخاصة ، واعتبر أنه من المستحيل التغلب على بعض القيود على التركيب البلوري للمعادن فيما يتعلق بالخلع. اليوم سنتعرف على دراسة أظهر فيها علماء من جامعة ويسكونسن في ماديسون (الولايات المتحدة الأمريكية) أن الوقت قد حان لإعادة كتابة القواعد الموضوعة مسبقًا فيما يتعلق بالمعادن. ما هو بالضبط ما كان يمكن القيام به مع التركيب البلوري للمعدن ، لماذا تثبيت الخلع ليس بهذه البساطة ، وما نوع الكعك المخفية للبشرية في هذه الدراسة؟ نتعرف على هذا من تقرير العلماء. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

قم بإعداد الحديد ، دون الخروج من السجل النقدي. يتم إخفاء العديد من المصطلحات المادية في هذا الاستعارة في وقت واحد ، أحدها هو قابلية التنقل - وهي خاصية مادة تحدد قدرتها على معالجتها عن طريق التشوه ، أي تزوير. بالنسبة للمعادن ، تعد ليونة نوعًا من مؤشرات ليونة. هذا هو المؤشر الذي يعاني أكثر من غيره في حالة تقوية قوة المعدن ، لأنه في لحظة حرجة معينة ، يمكنه ببساطة التصدع. في هذه الدراسة ، ابتكر العلماء تقنية لنسيان هذه المشكلة ، ولكن في وقت لاحق قليلاً.

في بداية القرن الماضي ، أدرك العلماء أن ثني المعدن أسهل بكثير من ثني تركيبه الجزيئي ، والذي غالبًا ما يكون شبكة ثلاثية الأبعاد. ليس هناك ما هو مثالي وكل شيء له عيوب ، حتى شعرية الكريستال الصلبة. يطلق عليهم الخلع. عدم دقة هذه الشبكة منقوشة بما فيه الكفاية ، مما يسمح للمعادن أن تكون مرنة للغاية. إذا كنا نريد تشديد المعدن ، فعندئذ لا يمكن لمس الخلع ، فهي لا يمكن المساس بها ، على الأقل كما كان يعتقد سابقًا.

في العمل الذي نفكر فيه اليوم ، تمكن العلماء من الحصول على درجة عالية من التشوه البلاستيكي فيما بين الفلزات * دون مساعدة من الاضطرابات.

Intermetallic * - مركب من اثنين أو أكثر من المعادن.

تجدر الإشارة إلى أن الحبوب (البلورات) تلعب دورًا مهمًا في الخواص الميكانيكية للمعادن. إذا كانت الحبوب صغيرة الحجم ، فإن الآلية الرئيسية للتشوه هي انزلاق / إزاحة حدود الحبوب. إذا كانت الحبيبات كبيرة الحجم ، يتم تشويه المعدن من خلال التلفيق المباشر على طول مستوى القص.



يتم تحقيق تقوية المعدن بطرق مختلفة ، وأكثرها فعالية هو تغيير حجم الحبوب. أصغر الحبوب ، وأقوى المعدن. بشكل أكثر علميًا ، يمكن التعبير عن هذا باعتباره قانون Hall-Petch (أو علاقة Hall-Petch). يسري مفعول هذا القانون عندما يتم حظر حركة الاختلالات على طول حدود الحبوب. ومع ذلك ، يمكن لتدريج القوة اعتمادًا على حجم الحبوب الموصوف في هذا القانون أن يدمر المعادن باستخدام شبكة بلورية محورها الوجه.


مخطط شعرية الوجه محورها.

أيضا ، لا يمكن تطبيق هذا القانون إلى ما لا نهاية ، لأنه عندما يكون حجم الحبوب أقل من 12-15 نانومتر ، لا تزداد قوة المعدن ، كما يشير قانون هال-بيتش ، بل تقل. وتسمى هذه الظاهرة قانون هول بيتش معكوس.

لا ينكر الباحثون أن تثبيت الخلع يسمح بتصلب المعدن ، لكن هذا له تأثير سلبي ملموس على ليونه. ولهذا السبب ، فإن دراسة آليات أخرى لوضع التشوهات ، إلى جانب الخلع ، قد تفتح إمكانيات جديدة لبناء مواد ذات خواص ميكانيكية فريدة.

في عملهم ، أجرى العلماء النمذجة والتجارب العملية باستخدام الساماريوم بنتاكوبالت (SmCo ₅ ) - وهو مركب بين الفلزات يتكون من الكوبالت والساماريوم. لقد تمكنوا من إثبات أن التشوه البلاستيكي دون التشديد على الاختلالات ليس ممكنًا فحسب ، بل يمكن أيضًا تحقيقه بسهولة تامة.

نتائج البحوث

قبل اختبار كل شيء في الممارسة العملية ، أجرى العلماء محاكاة باستخدام نموذج ذرة مضمن ( EAM ) ، تم تكييفه مع العديد من خصائص Sm و Co و Sm - Co في الحسابات ، تم أخذ أحجام مختلفة من الحبوب في الاعتبار: من 5 نانومتر إلى 65 نانومتر. احتوت كل عينة من العينات المدروسة في النموذج على 10 حبيبات ذات اتجاه عشوائي. تغير حجم الحبوب أثناء الانتقال من العينة إلى العينة ، لكن الاتجاه ظل كما هو. ابتكر العلماء نماذج من التوتر أحادي المحور والانضغاط أحادي المحور بمعدل سلالة 10 ⁸ ق ^-1 .


الصورة رقم 1

يوضح الرسمان 1 أ و 1 ب نتائج محاكاة الضغط. وقد وجد أن الحفاظ على اللدونة هو الحفاظ على أحجام الحبوب من 37 نانومتر. في حالة الحبوب الكبيرة ، لوحظ زيادة في الضغط ، لكن لا توجد علامات على نسبة هول-بيتش.

للمقارنة ، أجرى العلماء محاكاة للشد للنحاس (Cu) ، ظهرت خلالها علامات تنفيذ علاقة Hall-Petch ونسبة معكوس Hall-Petch للحبوب التي تقل عن 12 نانومتر.

في الوقت نفسه ، تُظهر عينات SmCo ₅ تشوهًا بلاستيكيًا واضحًا لجميع أحجام الحبوب بدون فراغات أو تشققات ، حتى لو وصل التشوه الحقيقي إلى 18٪.

لتأكيد نتائج المحاكاة ، قام الباحثون بقياس الصلابة الدقيقة لعينات SmCo ₅ بأحجام مختلفة من الحبوب. تم العثور على اختلاف في نتائج الاعتماد المقاسة للصلابة على حجم الحبوب ( 1 ج ) واعتماد القوة على حجم الحبوب ( 1 ب ) التي تم الحصول عليها أثناء المحاكاة. بالنظر إلى حقيقة أن التناسب التقريبي للصلابة الدقيقة والقوة متوقع ، يمكن القول أن التجارب أكدت نتائج المحاكاة.

وقد وجد أيضًا أن قوة SmCo ₅ (~ 2 GPa بحجم حبة 12 نانومتر) قابلة للمقارنة مع قوة شعرية شركة hcp (سداسية الشكل معبئة)

في معالجات HCPs (المتمركزة على الوجه) و HCPs (سداسية معبئة) ، يتم تفسير تحسين حدود الحبوب مع انخفاض في حجم الحبوب من خلال انخفاض في عدد عمليات الإخلاء التي تتشكل عند الحدود في المواد ذات الحبيبات الدقيقة.

في النماذج المقدمة في الدراسة ، لم يلاحظ أي انزلاق للخلع ، وهذا يتماشى مع حواجز الطاقة العالية نسبيًا بالنسبة للنوى وحركة الخلع الموجودة في حسابات سطح الطاقة المحتمل للانزلاق الصلب.


الصورة رقم 2

يوضح الشكل 2 أ أمثلة PES المحسوبة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ونموذج الذرة المغمورة (EAM). يلاحظ العلماء أنه على الرغم من عدم وجود علاقة مباشرة بين الإمكانات و PES ، أعطت كلتا الطريقتين نتائج متشابهة للغاية.

أدنى درجة EM ، أي الطاقة القصوى ، (1982 mJ / م ² ) لوحظت للانزلاق القاعدي [(0001) ⟨1120⟩]. للهرم 2 s + a slide [(1121) ⟨1126⟩] لديه EM مماثل في مرحلة الانزلاق الأولي ، لكن EM الفعلي الناشئ عند مسافة انزلاق تبلغ 6.5 high مرتفع للغاية (65280 mJ / m ² ). يوضح هرم c + a الانزلاق [(1121) 112113⟩] EM (29680 mJ / m ² ) مباشرة في بداية الانزلاق.

الملاحظة الأكثر أهمية ، وفقًا للباحثين ، هي أنه بالنسبة إلى SmCo _{5 ،} حتى أدنى درجة EM تكون بترتيب واحد أعلى من القيم المحسوبة للمعادن العادية لـ hcp.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الطاقة التي يتم إدخالها في البلورة بواسطة التفكك تتناسب مع b ² ، حيث b هي طول متجه البرغر * . قيم b للخلع في SmCo ₅ أعلى من 5 Å ، أي أعلى بكثير من ، على سبيل المثال ، قيمة 2.55 Å لـ Cu [(111) ⟨110⟩] و 3.21 Å للأنظمة الانزلاقية Mg [(0001) ⟨1120⟩].

البرغر المتجه * - يصف كميا التشوهات شعرية الكريستال حول الخلع.

على الرغم من أنه لم يتم ملاحظة انزلاق التفكك الكامل أثناء التجارب ، إلا أن هناك علامات على الانزلاق الجزئي ( 2b + 2c ) على نظام الهرمان ( 2b ). يمكن فهم طبيعة هذه الشريحة الجزئية إذا لاحظنا أن PES في الرسم البياني 2 أ . في بداية الانزلاق ، تكون الطاقة منخفضة جدًا ، ويتوقف الانزلاق على مسافة تقل عن 1.5 درجة مئوية ، لأنه يتصادم مع ارتفاع EM.

تُظهر الصورة 2b شرائح هرمية غير مكتملة ، بينما تظهر الصورة 2C نفسها ، ولكن على المستوى الذري.

مسافة الانزلاق التي تمت ملاحظتها أثناء المحاكاة أقصر بكثير من طول ناقل بورغيس ، الذي يبلغ 9.5 Å.

لم يتم اكتشاف الإنزلاق القاعدي. قد يكون لهذا التفسير التالي: احتمال أن يكون لطائرة قاعدية واحدة أعلى إجهاد القص هو أقل من احتمال أن واحدة من الطائرات الثلاث لمدة 2 ثانية + زلة سيكون لها إجهاد القص عالية بما يكفي لبدء الانزلاق ( 2C ) ، حتى لو كان الإنزلاق القاعدي لديه أدنى EM.

من الواضح أن SmCo ₅ ليس لديها خمسة أنظمة زلة مستقلة للخلع (في الواقع ، فهي ليست على الإطلاق) يمكنها الاستمرار في التكيف مع التشوه ، مما يضمن تشوه البلاستيك التعسفي للبولي كريستال. المواد من هذا النوع عادة ما تكون هشة للغاية ، ولكن ليس في هذه الحالة ، لأن النموذج أظهر بوضوح درجة عالية من المرونة.


الصورة رقم 3

أثناء النمذجة والحسابات ، وجد أن ليونة SmCo ₅ ترجع إلى انزلاق حدود الحبوب والتحول المباشر على طول مقص القص. ودعا العلماء الهياكل التي تم الحصول عليها نتيجة لمثل هذه العمليات عصابات القص غير المتبلور * .

شريط القص * - منطقة تشوه محلي في المعدن أو السبائك.

غالبًا ما تكون آليات الإقامة المزعومة ضرورية لحدوث انزلاق الحدود في المواد متعددة البلورات ، أي الآليات التي تخفف من الإجهاد المتراكم في مفصل ثلاثي (مثل نقطة الإنطلاق في الجيولوجيا) بسبب انزلاق حدود الحبوب المجاورة ( 3a - 3D ).

عندما يتجاوز الإجهاد القصي للحدود قوته ، يحدث انزلاق شديد للحدود ( 3 أ ) وتراكم الإجهاد الموضعي في المركب الثلاثي ( 3 ب ). الإجهاد المحلي يقاوم الانزلاق أكثر على طول الحدود ويبدأ في النمو مع زيادة الضغط. في لحظة الوصول إلى النقطة الحرجة ، يؤدي الإجهاد إلى تشكيل شريط القص غير المتبلور من المركب الثلاثي ( 3c ). بسبب حقيقة أن النواة غير المتجانسة تطلق الضغط المحلي ( ثلاثي الأبعاد ) ، يستمر انزلاق الحدود. خلال هذه العملية ، لوحظ تليين مفاجئ ، وبعد ذلك - استقرار الجهد. وقد لوحظت عمليات مماثلة لكل من تشوه الشد والضغط.

لتأكيد عدم تماثل المناطق داخل الشريحة ، تم حساب وظائف توزيع الزوج ( PDF - وظيفة توزيع الزوج ) Co-Co و Sm-Sm في مناطق الحبوب المحلية. وتمت مقارنة نتائج الحساب مع تلك الخاصة بكتلة واحدة غير متبلورة ( 3e ، 3f ).

أظهر تحليل مقارن للحسابات أنه بالنسبة للعينات المشوهة تحت الضغط إلى 9.4٪ ، فإن القمم الموجودة في PDF للمنطقة البلورية أوسع وأقل بسبب التشوهات المحلية ، ولكن مع ذلك تشابه واضح مع تلك الموجودة في بلورة واحدة. لكن ملفات PDF المحسوبة ضمن نطاق القص تتوافق تمامًا مع ملفات عينة SmCo ₅ غير المتبلورة ، ولم يتم اكتشاف اعتماد PDF على حجم الحبة على الإطلاق.

بعد ذلك ، كان على العلماء التحقق من توقعاتهم بأن SmCo ₅ يمكن أن يتعرض لتشوه كبير في البلاستيك. لهذا السبب ، أجريت تجارب خضعت خلالها عينات على شكل أعمدة دقيقة للتشوه.

وقد وجد أن عينات SmCo ₅ تتشوه فعليًا ولا تنهار عند تعرضها لأكثر من 20٪ من الإجهاد. بعد ذلك ، تم استخدام الفحص المجهري للإلكترون عالي الدقة (HRTEM) في عينة SmCo ₅ التي تم تشويهها بالضغط. هذا جعل من الممكن التحقق من نظرية عصابات القص غير المتبلور الناجم عن الإجهاد. أكد الفحص المجهري وجود العديد من أشرطة القص في منطقة التشوه ( 3g ). الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه لم يتم العثور على الاختلالات في منطقة الدراسة.

أظهر FFT (تحويل فورييه السريع) والرسوم البيانية العكسية FFT أن نطاق القص غير متبلور ، في حين أن المناطق الخارجة عن النطاق بلورية ( 3 س - 3 ج ). وقد وجد أيضا أن عصابات القص غير المتبلور تنتشر في الحبوب دون تشقق.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

في هذا العمل ، كان الباحثون قادرين على إظهار نظريتهم في الممارسة العملية بنجاح - لم يتقارب العالم في الاختلالات على الاختلالات. لسنوات عديدة ، اعتقد العلماء أن الخلع يجب أن يكون متنقلًا ، مما سيتيح أن يكون المعدن مطيلًا ولا ينهار عند أدنى إجهاد. ومع ذلك ، فإن هذا البيان خاطئ ، وهو ما أكدته الدراسة التي درسناها اليوم.

في المستقبل ، يعتزم علماء من جامعة ويسكونسن مواصلة دراسة المعادن ، مع التركيز على البحث عن خصائصها الخفية. ربما لا تكون هذه الخصائص مخفية جدًا ، ربما مجرد عبارة خاطئة تم توجيهها مسبقًا في الاتجاه الخاطئ لعمليات البحث؟ ربما يكون الأمر كذلك ، ربما سيتمكن الباحثون في المستقبل من الكشف عن بعض "البديهيات" من عالم علوم المواد. ليس من أجل لا شيء يقولون ، الثقة - ولكن التحقق.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟