प्लास्टिसिटी और ताकत: अव्यवस्था पर जोर दिए बिना इंटरमेटेलिक का सख्त होना

हजारों साल पहले, मानव जाति अद्भुत सामग्रियों से परिचित हो गई थी जिन्होंने जीवन के विभिन्न क्षेत्रों में अपना आवेदन पाया है। ये धातुएं थीं। चूँकि हम अक्सर ग्रह का क्या उपयोग करते हैं, इसका उपयोग हम नहीं कर सकते हैं, कई महान दिमाग धातुओं को मजबूत / कठोर बनाने के विभिन्न तरीकों के साथ आए हैं। लेकिन सब कुछ की अपनी सीमा होती है, और अव्यवस्थाओं के बारे में धातुओं की क्रिस्टल संरचना की कुछ सीमाओं को पार करना असंभव माना जाता था। आज हम एक अध्ययन से परिचित होंगे जिसमें मैडिसन (यूएसए) के विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने प्रदर्शित किया कि धातुओं के संबंध में पहले से स्थापित नियमों को फिर से लिखने का समय आ गया है। धातु की क्रिस्टलीय संरचना के साथ वास्तव में क्या करना संभव था, अव्यवस्थाओं का निर्धारण इतना सरल क्यों नहीं है, और इस अध्ययन में मानवता के लिए कौन से बन्स छिपे हुए हैं? हम वैज्ञानिकों की रिपोर्ट से इसके बारे में सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

कैश रजिस्टर से प्रस्थान किए बिना, लोहे को फोर्ज करें। इस रूपक में कई भौतिक शब्द एक साथ छिपे हुए हैं, जिनमें से एक निंदनीय है - एक ऐसी सामग्री का गुण जो विकृति द्वारा संसाधित होने की अपनी क्षमता निर्धारित करता है, अर्थात। फोर्जिंग। धातुओं के लिए, नमनीयता एक प्रकार का लचीलापन है। यह वह संकेतक है जो धातु की ताकत को मजबूत करने के मामले में सबसे अधिक ग्रस्त है, क्योंकि एक निश्चित महत्वपूर्ण क्षण में यह बस दरार कर सकता है। इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने इस समस्या को भूलने के लिए एक तकनीक बनाई, लेकिन इसके बारे में थोड़ी देर बाद।

पिछली शताब्दी की शुरुआत में, वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि किसी धातु को झुकाना उसके आणविक संरचना को झुकाने की तुलना में बहुत आसान है, जो अक्सर तीन आयामी जाली है। कुछ भी सही नहीं है और सब कुछ दोष है, यहां तक ​​कि एक ठोस के क्रिस्टल जाली भी। उन्हें अव्यवस्था कहा जाता है। ये जाली अशुद्धियाँ पर्याप्त रूप से मोबाइल हैं, जो धातुओं को इतना निंदनीय बनाती हैं। यदि हम धातु को सख्त करना चाहते हैं, तो अव्यवस्थाओं को छुआ नहीं जा सकता है, वे अछूत हैं, जैसा कि पहले सोचा गया था।

आज हम जिस काम पर विचार कर रहे हैं, उसमें वैज्ञानिकों को अव्यवस्थाओं की सहायता के बिना * इंटरमेटेलिक * के लिए प्लास्टिक विरूपण की एक उच्च डिग्री प्राप्त करने में सक्षम था।

इंटरमेटेलिक * - दो या अधिक धातुओं का एक यौगिक।

यह ध्यान देने योग्य है कि इसके अनाज (क्रिस्टलीय) धातुओं के यांत्रिक गुणों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यदि दाने आकार में छोटे होते हैं, तो विरूपण का मुख्य तंत्र अनाज की सीमाओं का फिसलन / विस्थापन है। यदि दाने बड़े होते हैं, तो कतरनी विमान के साथ प्रत्यक्ष अमोर्फाइजेशन द्वारा धातु विकृत हो जाता है।



धातु को मजबूत करना विभिन्न तरीकों से प्राप्त किया जाता है, जिनमें से सबसे प्रभावी अनाज आकार में परिवर्तन है। अनाज जितना छोटा होगा, धातु उतनी ही मजबूत होगी। अधिक वैज्ञानिक रूप से, इसे हॉल-पेटेक कानून (या हॉल-पेट रिलेशन) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। इस कानून का प्रभाव तब लागू होता है जब अनाज की सीमाओं के साथ अव्यवस्थाओं की आवाजाही अवरुद्ध हो जाती है। हालांकि, इस कानून द्वारा वर्णित अनाज के आकार के आधार पर ताकत की स्केलिंग एक चेहरे-केंद्रित क्रिस्टल जाली के साथ धातुओं को नष्ट कर सकती है।


फेस-केंद्रित जाली की योजना।

इसके अलावा, इस कानून को अंतहीन रूप से लागू नहीं किया जा सकता है, क्योंकि जब अनाज का आकार 12-15 एनएम से कम होता है, तो धातु की ताकत नहीं बढ़ती है, जैसा कि हॉल-पेट कानून बताता है, लेकिन घटता है। इस घटना को उलटा हॉल-पेटेक कानून कहा जाता है।

शोधकर्ता इस बात से इंकार नहीं करते हैं कि अव्यवस्थाओं को ठीक करने से धातु को सख्त किया जा सकता है, लेकिन इससे इसकी लचीलापन पर एक नकारात्मक प्रभाव पड़ता है। यह इस कारण से है कि विरूपताओं की नियुक्ति के लिए अन्य तंत्रों का अध्ययन, अव्यवस्थाओं के अलावा, अद्वितीय यांत्रिक गुणों वाले सामग्रियों के निर्माण के लिए नई संभावनाओं को खोल सकता है।

अपने काम में, वैज्ञानिकों ने समैरियम पेंटाकोबाल्ट (स्मिको ₅ ) का उपयोग करते हुए मॉडलिंग और व्यावहारिक प्रयोग किए - एक कोबाल्ट और समैरियम से युक्त एक इंटरमीडिएट यौगिक। वे यह साबित करने में कामयाब रहे कि अव्यवस्थाओं पर जोर दिए बिना प्लास्टिक विरूपण न केवल संभव है, बल्कि काफी आसानी से प्राप्त करने योग्य भी है।

अनुसंधान के परिणाम

व्यवहार में सब कुछ का परीक्षण करने से पहले, वैज्ञानिकों ने स्मॉल, कोए और स्म - कं के कई गुणों के अनुकूल एंबेडेड एटम मॉडल ( EAM ) का उपयोग करके एक सिमुलेशन का संचालन किया। गणना में, अनाज के विभिन्न आकारों को ध्यान में रखा गया था: 5 एनएम से 65 एनएम तक। मॉडल में अध्ययन किए गए नमूनों में से प्रत्येक में एक यादृच्छिक अभिविन्यास के साथ 10 अनाज थे। नमूने से नमूने में संक्रमण के दौरान अनाज का आकार बदल गया, लेकिन अभिविन्यास वही रहा। वैज्ञानिकों ने 10 ⁸ एस ^{-1 के} तनाव दर पर एकसमान तनाव और एकसमान संपीड़न के मॉडल बनाए हैं।


चित्र संख्या 1

रेखांकन 1 ए और 1 बी एक संपीड़न सिमुलेशन के परिणाम दिखाते हैं। यह पाया गया कि प्लास्टिसिटी के संरक्षण को 37 एनएम के अनाज के आकार तक बनाए रखा जाता है। बड़े अनाज के मामले में, तनाव में वृद्धि देखी गई है, लेकिन हॉल-पेट अनुपात का कोई संकेत नहीं है।

तुलना के लिए, वैज्ञानिकों ने तांबे (Cu) के लिए एक तन्यता सिमुलेशन का आयोजन किया, जिसके दौरान हॉल-पेट रिलेशन के कार्यान्वयन और 12 एनएम से कम अनाज के लिए उलटा हॉल-पेट अनुपात का संकेत स्पष्ट रूप से दिखाई दिया।

एक ही समय में, SmCo ₅ नमूने सभी अनाज के आकार के लिए बिना किसी खराबी या दरार के स्पष्ट प्लास्टिक विरूपण दिखाते हैं, भले ही असली विरूपण 18% तक पहुंच जाए।

सिमुलेशन परिणामों की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अलग-अलग अनाज के आकार के साथ SmCo ₅ नमूनों की सूक्ष्मता को मापा। अनाज के आकार ( 1c ) पर कठोरता की मापा निर्भरता और सिमुलेशन के दौरान प्राप्त अनाज आकार ( 1b ) पर निर्भरता के परिणामों में अंतर पाया गया। इस तथ्य के मद्देनजर कि सूक्ष्मता और शक्ति की अनुमानित आनुपातिकता अपेक्षित है, यह कहा जा सकता है कि प्रयोगों ने सिमुलेशन परिणामों की पुष्टि की।

यह भी पाया गया कि SmCo ₅ की ताकत (12 एनएम के एक अनाज के आकार के साथ ~ 2 GPa) hcp की ताकत (हेक्सागोनल क्लोज-पैक) जाली कंपनी की ताकत के साथ तुलनीय है

HCPs (फेस-केंद्रित) और HCPs (क्लोज-पैक्ड हेक्सागोनल) धातुओं में, अनाज के आकार में कमी के साथ अनाज की सीमाओं की वृद्धि को ठीक-दाने वाली सामग्री में सीमाओं पर बनने वाले अव्यवस्थाओं की संख्या में कमी से समझाया गया है।

अध्ययन में प्रस्तुत किए गए मॉडल में, अव्यवस्थाओं की कोई पर्ची नहीं देखी गई थी, और यह एक कठिन पर्ची की संभावित ऊर्जा सतह (पीईएस) की गणना में पाए गए अव्यवस्थाओं के न्यूक्लियेशन और गति के लिए अपेक्षाकृत उच्च ऊर्जा बाधाओं के अनुरूप है।


चित्र संख्या 2

चित्रा 2 ए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) और डूबे हुए परमाणु मॉडल (ईएएम) का उपयोग करके गणना किए गए पीईएस के उदाहरण दिखाता है। वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि संभावित और पीईएस के बीच एक सीधा संबंध की कमी के बावजूद, दोनों तरीकों ने बहुत समान परिणाम दिए।

सबसे कम EM स्कोर, अर्थात ऊर्जा अधिकतम, (1982 एमजे / एम ² ) बेसल स्लिप [(0001) ⟩1120⟩] के लिए देखी गई थी। पिरामिडल 2 एस + स्लिप [(1121) ⟩1126 has] की शुरुआती स्लिप स्टेज पर एक तुलनीय ईएम है, लेकिन 6.5 slip की स्लिप दूरी पर उत्पन्न होने वाली वास्तविक ईएम बहुत अधिक (65280 एमजे / एम ² ) है। पिरामिड सी + स्लिप [(1121) ⟩2113 demonstr] पर्ची की शुरुआत में तुरंत EM (29680 mJ / m ² ) प्रदर्शित करता है।

शोधकर्ताओं के अनुसार, सबसे महत्वपूर्ण अवलोकन यह है कि स्मोको _{5 के लिए,} यहां तक ​​कि सबसे कम ईएम साधारण एचसीपी धातुओं के लिए गणना की गई मूल्यों की तुलना में अधिक परिमाण का एक आदेश है।

इसके अलावा, अव्यवस्था द्वारा क्रिस्टल में पेश की गई ऊर्जा बी ^{2 के} आनुपातिक है, जहां बी बर्गर्स वेक्टर की लंबाई * है । SmCo ₅ में अव्यवस्थाओं के बी मान 5 Å से ऊपर _हैं , अर्थात्। उदाहरण के लिए, Cu [(111) ,110⟩] और 3.21 [के लिए स्लिप सिस्टम Mg [(0001) ⟩1120⟩] का मूल्य 2.55 example है।

बर्गर वेक्टर * - मात्रात्मक रूप से अव्यवस्था के आसपास क्रिस्टल जाली के विकृतियों का वर्णन करता है।

हालांकि प्रयोगों के दौरान पूर्ण अव्यवस्था ग्लाइड नहीं देखी गई थी, पिरामिड प्रणाली ( 2 बी ) पर आंशिक ग्लाइड ( 2 बी + 2 सी ) के संकेत थे। इस आंशिक पर्ची की प्रकृति को समझा जा सकता है यदि हम ग्राफ 2a में PES पर ध्यान दें। पर्ची की शुरुआत में, ऊर्जा काफी कम है, और पर्ची ~ 1.5 of से कम की दूरी पर रुकती है, क्योंकि यह एक उच्च ईएम से टकराती है।

छवि 2 बी अपूर्ण पिरामिड स्लाइड्स को दिखाती है, जबकि छवि 2c समान दिखाती है, लेकिन परमाणु स्तर पर।

सिमुलेशन के दौरान देखी गई स्लिप दूरी बर्गेस वेक्टर की लंबाई से बहुत कम है, जो 9.5 the है।

बेसल ग्लाइड का पता नहीं चला। इसकी निम्न व्याख्या हो सकती है: एक एकल बेसल विमान में सबसे बड़ा कतरनी तनाव होने की संभावना इस संभावना से कम है कि 2 s + के लिए तीन विमानों में से एक स्लिप में एक कतरनी तनाव अधिक होगा जो स्लिप ( 2c ) शुरू करने के लिए पर्याप्त होगा। भले ही बेसल ग्लाइड में ईएम सबसे कम हो।

यह स्पष्ट है कि SmCo _{5 में} अव्यवस्थाओं के लिए पांच स्वतंत्र स्लिप सिस्टम नहीं हैं (वास्तव में, वे बिल्कुल भी नहीं हैं) जो कि पॉलीक्रिस्टल के मनमाने प्लास्टिक विरूपण की गारंटी देते हुए विरूपण के लिए अनुकूल हो सकते हैं। इस तरह की सामग्री आमतौर पर बहुत नाजुक होती है, लेकिन इस मामले में नहीं, क्योंकि मॉडलिंग में स्पष्ट रूप से उच्च स्तर की लचीलापन दिखाई देती है।


चित्र संख्या 3

मॉडलिंग और गणना के दौरान, यह पाया गया कि स्मोको 5 की नमनीयता कतरनी विमान के साथ अनाज की सीमाओं और प्रत्यक्ष अमोर्फाइजेशन के फिसलने के कारण है। वैज्ञानिकों ने ऐसी प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप प्राप्त संरचनाओं को बुलाया अनाकार कतरनी बैंड * ।

कतरनी बैंड * - एक धातु या मिश्र धातु में स्थानीय विरूपण का क्षेत्र।

सबसे अधिक बार, तथाकथित आवास तंत्र पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री में सीमा फिसलने की घटना के लिए आवश्यक हैं, अर्थात। तंत्र जो आसन्न अनाज सीमाओं ( 3 ए - 3 डी ) के फिसलने के कारण एक ट्रिपल संयुक्त (भूविज्ञान में टी की तरह) में संचित तनाव से राहत देते हैं।

जब सीमा का कतरनी तनाव अपनी ताकत से अधिक हो जाता है, तो सीमा ( 3 ए ) का बहुत अधिक फिसलन और टेरनेरी परिसर ( 3 बी ) में स्थानीय तनाव का संचय होता है। स्थानीय तनाव सीमा के साथ आगे खिसकने का प्रतिरोध करता है और बढ़ते तनाव के साथ बढ़ने लगता है। महत्वपूर्ण बिंदु तक पहुंचने के क्षण में, तनाव टर्नरी यौगिक ( 3 सी ) से एक अनाकार कतरनी बैंड के गठन की ओर जाता है। इस तथ्य के कारण कि विषम उपद्रव स्थानीय तनाव ( 3 डी ) जारी करता है, सीमाओं का फिसलन जारी है। इस प्रक्रिया के दौरान, अचानक नरमी देखी जाती है, और उसके बाद - वोल्टेज स्थिरीकरण। इसी तरह की प्रक्रियाएं तन्य विकृति और संपीड़न के लिए दोनों देखी गईं।

पर्ची के भीतर क्षेत्रों की अनाकारता की पुष्टि करने के लिए, स्थानीय अनाज क्षेत्रों में सह-सह और एसएम-स्म की जोड़ी वितरण कार्यों ( पीडीएफ - जोड़ी वितरण समारोह ) की गणना की गई थी। गणना परिणामों की तुलना एकल क्रिस्टल और अनाकार द्रव्यमान ( 3e , 3f ) के लिए की गई थी।

गणनाओं के एक तुलनात्मक विश्लेषण से पता चला है कि संपीड़न के तहत 9.4% तक विकृत नमूनों के लिए, क्रिस्टलीय क्षेत्र के पीडीएफ में चोटियां स्थानीय विकृतियों के कारण व्यापक और निम्न हैं, लेकिन फिर भी एक एकल क्रिस्टल में उन लोगों के साथ स्पष्ट समानता है। लेकिन कतरनी बैंड के भीतर गणना की गई पीडीएफ पूरी तरह से थोक अनाकार स्मोको ₅ नमूना के लिए उन लोगों के साथ मेल खाती है, और अनाज के आकार पर पीडीएफ की निर्भरता का पता नहीं लगाया गया था।

इसके बाद, वैज्ञानिकों को अपनी भविष्यवाणियों की जाँच करनी थी कि SmCo ₅ महत्वपूर्ण प्लास्टिक विरूपण से गुजर सकता है। इसके लिए, प्रयोगों का आयोजन किया गया था, जिसके दौरान सूक्ष्म स्तंभों के रूप में नमूने विरूपण के अधीन थे।

यह पाया गया कि SmCo _{5 के} नमूने वास्तव में बहुत ख़राब हो जाते हैं और 20% से अधिक तनाव के संपर्क में नहीं आते हैं। अगला, उच्च रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HRTEM) का उपयोग एक SmCo ₅ नमूने पर किया गया था जो दबाव द्वारा विकृत हो गया था। इसने तनाव के कारण होने वाले अनाकार कतरनी बैंड के सिद्धांत को सत्यापित करना संभव बना दिया। माइक्रोस्कोपी ने विरूपण क्षेत्र ( 3 जी ) में कई कतरनी बैंड की उपस्थिति की पुष्टि की। सबसे दिलचस्प बात यह है कि अध्ययन क्षेत्र में कोई अव्यवस्था नहीं पाई गई।

एफएफटी (फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म) और उलटा एफएफटी ग्राफ से पता चला कि कतरनी बैंड अनाकार है, जबकि बाहर के बैंड क्षेत्र क्रिस्टलीय ( 3h - 3j ) हैं। यह भी पाया गया कि अनाकार कतरनी बैंड बिना टूटे अनाजों में फैलते हैं।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस काम में, शोधकर्ता अपने सिद्धांत को व्यवहार में सफलतापूर्वक प्रदर्शित करने में सक्षम थे - दुनिया अव्यवस्थाओं पर विवाद में नहीं जुटी। कई वर्षों से, वैज्ञानिकों का मानना ​​था कि अव्यवस्थाएं मोबाइल होनी चाहिए, जो धातु को नमनीय होने दें और मामूली तनाव में न टूटें। हालाँकि, यह कथन त्रुटिपूर्ण है, जिसकी पुष्टि हमने आज किए गए अध्ययन से की थी।

भविष्य में, विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने धातु के अध्ययन को जारी रखने का इरादा किया है, जो अपने छिपे हुए गुणों की खोज पर ध्यान केंद्रित कर रहा है। शायद ये गुण इतने छिपे हुए नहीं हैं, शायद पहले से स्थापित गलत बयान ने हमें खोजों की गलत दिशा में निर्देशित किया है? शायद इसलिए, शायद भविष्य में शोधकर्ता भौतिक विज्ञान की दुनिया से एक जोड़े को "स्वयंसिद्ध" डिबेक कर पाएंगे। यह ऐसा कुछ भी नहीं है जिसके लिए वे कहते हैं, विश्वास - लेकिन जाँच करें।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों! :)

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