Plastizität und Festigkeit: Aushärtung des Intermetalls ohne Betonung der Versetzung

Vor Tausenden von Jahren lernte die Menschheit erstaunliche Materialien kennen, die in verschiedenen Lebensbereichen Anwendung fanden. Das waren Metalle. Da wir oft nicht nur das verwenden können, was der Planet uns gibt, haben sich viele große Köpfe verschiedene Wege ausgedacht, um Metalle zu stärken / zu härten. Aber alles hat seine eigene Grenze, und es wurde als unmöglich angesehen, bestimmte Einschränkungen der Kristallstruktur von Metallen in Bezug auf Versetzungen zu überwinden. Heute werden wir eine Studie kennenlernen, in der Wissenschaftler der University of Wisconsin in Madison (USA) gezeigt haben, dass es an der Zeit ist, die zuvor festgelegten Regeln für Metalle neu zu schreiben. Was genau war mit der Kristallstruktur des Metalls möglich, warum ist die Fixierung von Versetzungen nicht so einfach und welche Brötchen sind in dieser Studie für die Menschheit verborgen? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Lass uns gehen.

Studienbasis

Schmiede das Eisen, ohne von der Registrierkasse abzuweichen. In dieser Metapher sind mehrere physikalische Begriffe gleichzeitig verborgen, von denen einer die Formbarkeit ist - eine Eigenschaft eines Materials, die seine Fähigkeit bestimmt, durch Verformung verarbeitet zu werden, d. H. geschmiedet. Bei Metallen ist die Duktilität eine Art Indikator für die Duktilität. Es ist dieser Indikator, der am meisten leidet, wenn die Festigkeit des Metalls verstärkt wird, wodurch es in einem bestimmten kritischen Moment einfach reißen kann. In dieser Studie haben Wissenschaftler eine Technik entwickelt, um dieses Problem zu vergessen, aber etwas später.

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts erkannten die Wissenschaftler, dass das Biegen eines Metalls viel einfacher ist als das Biegen seiner Molekülstruktur, die meist ein dreidimensionales Gitter ist. Nichts ist perfekt und alles hat Defekte, sogar das Kristallgitter eines Festkörpers. Sie werden Versetzungen genannt. Diese Gitterungenauigkeiten sind ausreichend beweglich, wodurch Metalle so formbar sind. Wenn wir das Metall härten wollen, können Versetzungen nicht berührt werden, sie sind zumindest wie bisher angenommen unantastbar.

In der Arbeit, die wir heute betrachten, konnten Wissenschaftler ohne Hilfe von Versetzungen ein hohes Maß an plastischer Verformung für intermetallische * erzielen.

Intermetallisch * - eine Verbindung aus zwei oder mehr Metallen.

Es ist erwähnenswert, dass seine Körner (Kristallite) eine wichtige Rolle für die mechanischen Eigenschaften von Metallen spielen. Wenn die Körner klein sind, ist der Hauptverformungsmechanismus das Gleiten / Verschieben der Korngrenzen. Wenn die Körner groß sind, wird das Metall durch direkte Amorphisierung entlang der Scherebene verformt.



Die Verstärkung des Metalls wird auf verschiedene Arten erreicht, von denen die Änderung der Korngröße am effektivsten ist. Je kleiner das Korn, desto stärker das Metall. Wissenschaftlicher kann dies als das Hall-Petch-Gesetz (oder die Hall-Petch-Beziehung) ausgedrückt werden. Die Wirkung dieses Gesetzes tritt in Kraft, wenn die Bewegung von Versetzungen entlang der Korngrenzen blockiert wird. Die Skalierung der Festigkeit in Abhängigkeit von der durch dieses Gesetz beschriebenen Korngröße kann jedoch Metalle mit einem flächenzentrierten Kristallgitter zerstören.


Schema des flächenzentrierten Gitters.

Dieses Gesetz kann auch nicht endlos angewendet werden, da bei einer Korngröße von weniger als 12-15 nm die Festigkeit des Metalls nicht zunimmt, wie das Hall-Petch-Gesetz vorschlägt, sondern abnimmt. Dieses Phänomen wird als inverses Hall-Petch-Gesetz bezeichnet.

Die Forscher bestreiten nicht, dass die Fixierung von Versetzungen das Aushärten des Metalls ermöglicht, dies hat jedoch einen spürbaren negativen Einfluss auf seine Duktilität. Aus diesem Grund kann die Untersuchung anderer Mechanismen für die Platzierung von Verformungen neben Versetzungen neue Möglichkeiten für die Konstruktion von Materialien mit einzigartigen mechanischen Eigenschaften eröffnen.

In ihrer Arbeit führten Wissenschaftler Modellierungs- und praktische Experimente mit Samarium-Pentacobalt (SmCo ₅ ) durch - einer intermetallischen Verbindung aus Kobalt und Samarium. Es gelang ihnen zu beweisen, dass eine plastische Verformung ohne Betonung von Versetzungen nicht nur möglich, sondern auch leicht erreichbar ist.

Forschungsergebnisse

Bevor die Wissenschaftler alles in der Praxis testeten, führten sie eine Simulation mit dem Embedded Atom Model ( EAM ) durch, das an die vielen Eigenschaften von Sm, Co und Sm - Co. angepasst war. Bei den Berechnungen wurden unterschiedliche Korngrößen berücksichtigt: von 5 nm bis 65 nm. Jede der untersuchten Proben im Modell enthielt 10 Körner mit zufälliger Orientierung. Die Korngröße während des Übergangs von Probe zu Probe änderte sich, aber die Orientierung blieb gleich. Wissenschaftler haben Modelle für einachsige Spannung und einachsige Kompression bei einer Dehnungsrate von 10 ⁸ s ^{-1 erstellt} .


Bild Nr. 1

Die Grafiken 1a und 1b zeigen die Ergebnisse einer Kompressionssimulation. Es wurde gefunden, dass die Erhaltung der Plastizität bis zu Korngrößen von 37 nm erhalten bleibt. Bei größeren Körnern wird ein Spannungsanstieg beobachtet, jedoch keine Anzeichen des Hall-Petch-Verhältnisses.

Zum Vergleich führten die Wissenschaftler eine Zugsimulation für Kupfer (Cu) durch, bei der Anzeichen für die Implementierung der Hall-Petch-Beziehung und des inversen Hall-Petch-Verhältnisses für Körner unter 12 nm deutlich sichtbar waren.

Gleichzeitig zeigen SmCo _5- Proben für alle Korngrößen eine deutliche plastische Verformung ohne Hohlräume oder Risse, selbst wenn die tatsächliche Verformung 18% erreicht.

Um die Simulationsergebnisse zu bestätigen, haben die Forscher die Mikrohärte von SmCo _5- Proben mit unterschiedlichen Korngrößen gemessen. Ein Unterschied wurde in den Ergebnissen der gemessenen Abhängigkeit der Härte von der Korngröße ( 1c ) und der Abhängigkeit der Festigkeit von der Korngröße ( 1b ) gefunden, die während der Simulation erhalten wurden. Angesichts der Tatsache, dass eine ungefähre Proportionalität von Mikrohärte und Festigkeit erwartet wird, kann gesagt werden, dass die Experimente die Simulationsergebnisse bestätigten.

Es wurde auch gefunden, dass die Stärke von SmCo ₅ (~ 2 GPa mit einer Korngröße von 12 nm) mit der Stärke des hcp-Gitters (hexagonal dicht gepackt) Co. vergleichbar ist.

In HCPs (flächenzentriert) und HCPs (dicht gepackte hexagonale) Metalle erklärt sich die Verbesserung der Korngrenzen mit einer Abnahme der Korngröße durch eine Abnahme der Anzahl von Versetzungen, die in feinkörnigen Materialien in den Grenzen gebildet werden.

In den in der Studie vorgestellten Modellen wurde kein Versetzungsschlupf beobachtet, was mit den relativ hohen Energiebarrieren für die Keimbildung und Bewegung von Versetzungen übereinstimmt, die bei der Berechnung der potenziellen Energieoberfläche (PES) eines harten Schlupfes gefunden wurden.


Bild Nr. 2

Abbildung 2a zeigt Beispiele für PES, die mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und dem Immersed-Atom-Modell (EAM) berechnet wurden. Wissenschaftler stellen fest, dass trotz des Fehlens einer direkten Beziehung zwischen Potenzial und PES beide Methoden sehr ähnliche Ergebnisse lieferten.

Der niedrigste EM-Wert, d.h. Das Energiemaximum (1982 mJ / m ² ) wurde für den Grundschlupf [(0001) <1120>] beobachtet. Die Pyramide 2 s + a Schlupf [(1121) ⟨1126⟩] hat in der Anfangsschlupfphase eine vergleichbare EM, aber die tatsächliche EM, die bei einer Schlupfstrecke von 6,5 Å auftritt, ist sehr hoch (65280 mJ / m ² ). Die Pyramide c + a Schlupf [(1121) ⟨2113⟩] zeigt EM (29680 mJ / m ² ) unmittelbar zu Beginn des Schlupfes.

Die wichtigste Beobachtung ist laut den Forschern, dass für SmCo ₅ sogar die niedrigste EM eine Größenordnung höher ist als die für gewöhnliche hcp-Metalle berechneten Werte.

Außerdem ist die durch die Versetzung in den Kristall eingebrachte Energie proportional zu b ² , wobei b die Länge des Burgers-Vektors * ist . Die b- Werte für Versetzungen in SmCo _{5 liegen} über 5 Å, d.h. signifikant höher als beispielsweise der Wert von 2,55 Å für Cu [(111) ⟨110⟩] und 3,21 Å für Schlupfsysteme Mg [(0001) ⟨1120⟩].

Burgers Vektor * - beschreibt quantitativ die Verzerrungen des Kristallgitters um die Versetzung.

Obwohl während der Experimente kein vollständiges Versetzungsgleiten beobachtet wurde, gab es Anzeichen eines partiellen Gleitens ( 2b + 2c ) auf dem Pyramidensystem ( 2b ). Die Art dieses Teilschlupfes kann verstanden werden, wenn wir die PES in Grafik 2a beachten. Zu Beginn des Schlupfes ist die Energie ziemlich niedrig und der Schlupf stoppt in einer Entfernung von weniger als ~ 1,5 Å, da er mit einer hohen EM kollidiert.

Bild 2b zeigt unvollständige Pyramidenobjektträger, während Bild 2c dasselbe zeigt, jedoch auf atomarer Ebene.

Die während der Simulation beobachtete Schlupfstrecke ist viel kürzer als die Länge des Burgess-Vektors, die 9,5 Å beträgt.

Grundgleiten wurde nicht festgestellt. Dies kann die folgende Erklärung haben: Die Wahrscheinlichkeit, dass eine einzelne Basisebene die größte Scherspannung aufweist, ist geringer als die Wahrscheinlichkeit, dass eine der drei Ebenen für 2 s + einen Schlupf eine Scherspannung aufweist, die hoch genug ist, um einen Schlupf auszulösen ( 2c ). selbst wenn der Basalgleiter die niedrigste EM hat.

Offensichtlich verfügt SmCo ₅ nicht über fünf unabhängige Versetzungssysteme für Versetzungen (tatsächlich sind sie überhaupt nicht vorhanden), die sich weiterhin an die Verformung anpassen können und eine willkürliche plastische Verformung des Polykristalls gewährleisten. Materialien dieser Art sind normalerweise sehr zerbrechlich, in diesem Fall jedoch nicht, da die Modellierung eindeutig einen hohen Grad an Duktilität zeigte.


Bild Nr. 3

Bei der Modellierung und Berechnung wurde festgestellt, dass die Duktilität von SmCo ₅ auf dem Gleiten der Korngrenzen und der direkten Amorphisierung entlang der Scherebene beruht. Wissenschaftler nannten die durch solche Prozesse erhaltenen Strukturen amorphe Scherbänder * .

Scherband * - Bereich lokaler Verformung in einem Metall oder einer Legierung.

Am häufigsten sind sogenannte Akkommodationsmechanismen für das Auftreten von Grenzgleiten in polykristallinen Materialien erforderlich, d.h. Mechanismen, die die in einem Dreifachgelenk (wie ein T-Stück in der Geologie) aufgrund des Gleitens benachbarter Korngrenzen ( 3a - 3d ) akkumulierte Spannung abbauen .

Wenn die Scherspannung der Grenze ihre Festigkeit überschreitet, treten das Gleiten der Grenze ( 3a ) und die Akkumulation lokaler Spannung in der ternären Verbindung ( 3b ) auf. Lokaler Stress widersteht einem weiteren Gleiten entlang der Grenze und beginnt mit zunehmendem Stress zu wachsen. Beim Erreichen des kritischen Punktes führt die Spannung zur Bildung eines amorphen Scherbandes aus der ternären Verbindung ( 3c ). Aufgrund der Tatsache, dass die heterogene Keimbildung lokalen Stress freisetzt ( 3d ), setzt sich das Verschieben der Grenzen fort. Während dieses Vorgangs wird eine plötzliche Erweichung und danach eine Spannungsstabilisierung beobachtet. Ähnliche Prozesse wurden sowohl für die Zugverformung als auch für die Kompression beobachtet.

Um die Amorphität der Regionen innerhalb des Schlupfes zu bestätigen, wurden die Paarverteilungsfunktionen ( PDF - Paarverteilungsfunktion ) von Co-Co und Sm-Sm in lokalen Kornregionen berechnet. Die Berechnungsergebnisse wurden mit denen für einen Einkristall und eine amorphe Masse ( 3e , 3f ) verglichen.

Eine vergleichende Analyse der Berechnungen ergab, dass bei Proben, die unter Kompression auf 9,4% verformt wurden, die Peaks im PDF der kristallinen Zone aufgrund lokaler Verzerrungen breiter und niedriger sind, jedoch eine deutliche Ähnlichkeit mit denen in einem Einkristall aufweisen. Die innerhalb des Scherbandes berechneten PDFs stimmen jedoch perfekt mit denen für die amorphe SmCo _5- Massenprobe überein, und die Abhängigkeit von PDF von der Korngröße wurde überhaupt nicht festgestellt.

Als nächstes mussten die Wissenschaftler ihre Vorhersagen überprüfen, dass SmCo ₅ eine signifikante plastische Verformung erfahren könnte. Hierzu wurden Versuche durchgeführt, bei denen Proben in Form von Mikrosäulen verformt wurden.

Es wurde festgestellt, dass sich SmCo _5- Proben tatsächlich plastisch verformen und nicht kollabieren, wenn sie mehr als 20% Stress ausgesetzt werden. Als nächstes wurde hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an einer SmCo _5- Probe verwendet, die durch Druck verformt wurde. Dies ermöglichte es, die Theorie der durch Spannung verursachten amorphen Scherbänder zu verifizieren. Die Mikroskopie bestätigte das Vorhandensein mehrerer Scherbänder im Verformungsbereich ( 3 g ). Das Interessanteste ist, dass im Untersuchungsgebiet keine Versetzungen gefunden wurden.

Die FFT- (schnelle Fourier-Transformation) und inverse FFT-Diagramme zeigten, dass das Scherband amorph ist, während die Außerbandbereiche kristallin sind ( 3h - 3j ). Es wurde auch gefunden, dass sich amorphe Scherbänder in Körnern ausbreiten, ohne zu reißen.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

In dieser Arbeit konnten Forscher ihre Theorie erfolgreich in der Praxis demonstrieren - die Welt konvergierte nicht in Versetzungen auf Versetzungen. Viele Jahre lang glaubten Wissenschaftler, dass Versetzungen beweglich sein sollten, damit das Metall duktil ist und nicht bei der geringsten Belastung bricht. Diese Aussage ist jedoch falsch, was durch die heute untersuchte Studie bestätigt wurde.

In Zukunft wollen Wissenschaftler der University of Wisconsin die Erforschung von Metallen fortsetzen und sich auf die Suche nach ihren verborgenen Eigenschaften konzentrieren. Vielleicht sind diese Eigenschaften nicht so verborgen, vielleicht hat uns nur eine zuvor festgestellte falsche Aussage in die falsche Richtung der Suche gelenkt? Vielleicht können Forscher in Zukunft ein paar weitere „Axiome“ aus der Welt der Materialwissenschaften entlarven. Sie sagen nicht umsonst, vertrauen - sondern prüfen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)

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