Plastisitas dan kekuatan: pengerasan intermetalik tanpa penekanan pada dislokasi

Ribuan tahun yang lalu, umat manusia berkenalan dengan bahan-bahan luar biasa yang telah ditemukan aplikasinya di berbagai bidang kehidupan. Ini adalah logam. Karena kita sering tidak bisa hanya menggunakan apa yang diberikan planet ini kepada kita, banyak pikiran hebat telah datang dengan berbagai cara untuk memperkuat / mengeraskan logam. Tetapi semuanya memiliki batasnya sendiri, dan dianggap mustahil untuk mengatasi batasan tertentu dari struktur kristal logam mengenai dislokasi. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah studi di mana para ilmuwan dari University of Wisconsin di Madison (AS) menunjukkan bahwa sudah waktunya untuk menulis ulang aturan yang telah ditetapkan sebelumnya tentang logam. Apa sebenarnya yang mungkin dilakukan dengan struktur kristal logam, mengapa fiksasi dislokasi tidak begitu sederhana, dan roti jenis apa yang disembunyikan untuk kemanusiaan dalam penelitian ini? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Ayo pergi.

Dasar studi

Tempa setrika, tanpa meninggalkan kasir. Beberapa istilah fisik disembunyikan dalam metafora ini sekaligus, salah satunya adalah kelenturan - sifat material yang menentukan kemampuannya untuk diproses oleh deformasi, mis. dipalsukan. Untuk logam, daktilitas adalah semacam indikator keuletan. Indikator inilah yang paling menderita jika menguatkan kekuatan logam, karena itu, pada saat kritis tertentu, ia bisa retak. Dalam studi ini, para ilmuwan menciptakan teknik untuk melupakan masalah ini, tetapi tentang hal itu sedikit kemudian.

Pada awal abad terakhir, para ilmuwan menyadari bahwa menekuk logam jauh lebih mudah daripada menekuk struktur molekulnya, yang paling sering berupa kisi tiga dimensi. Tidak ada yang sempurna dan semuanya memiliki cacat, bahkan kisi kristal padat. Mereka disebut dislokasi. Ketidakakuratan kisi-kisi ini cukup mobile, yang memungkinkan logam menjadi sangat mudah dibentuk. Jika kita ingin mengeraskan logam, maka dislokasi tidak dapat disentuh, mereka tidak tersentuh, setidaknya seperti yang diperkirakan sebelumnya.

Dalam pekerjaan yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan dapat memperoleh deformasi plastis tingkat tinggi untuk * antar logam tanpa bantuan dislokasi.

Intermetalik * - senyawa dua atau lebih logam.

Perlu dicatat bahwa butirannya (kristalit) memainkan peran penting dalam sifat mekanik logam. Jika butirannya berukuran kecil, maka mekanisme utama deformasi adalah geser / perpindahan batas butir. Jika butirannya besar, maka logamnya terdeformasi oleh amorfisasi langsung di sepanjang bidang geser.



Penguatan logam dicapai dengan berbagai cara, yang paling efektif adalah perubahan ukuran butir. Semakin kecil gabah, semakin kuat logamnya. Secara lebih ilmiah, ini dapat dinyatakan sebagai hukum Hall-Petch (atau hubungan Hall-Petch). Efek dari hukum ini mulai berlaku ketika pergerakan dislokasi di sepanjang batas butir terhalang. Namun, penskalaan kekuatan tergantung pada ukuran butiran yang dijelaskan oleh hukum ini dapat menghancurkan logam dengan kisi kristal berpusat pada wajah.


Skema kisi yang berpusat pada wajah.

Juga, hukum ini tidak dapat diterapkan tanpa akhir, karena ketika ukuran butir kurang dari 12-15 nm, kekuatan logam tidak meningkat, seperti yang disarankan oleh hukum Hall-Petch, tetapi justru menurun. Fenomena ini disebut hukum Hall-Petch terbalik.

Para peneliti tidak menyangkal bahwa fiksasi dislokasi memungkinkan pengerasan logam, tetapi ini memiliki efek negatif nyata pada daktilitasnya. Karena alasan inilah studi mekanisme lain untuk penempatan deformasi, selain dislokasi, dapat membuka kemungkinan baru untuk konstruksi material dengan sifat mekanis yang unik.

Dalam karya mereka, para ilmuwan melakukan pemodelan dan percobaan praktis menggunakan samarium pentacobalt (SmCo ₅ ) - senyawa intermetalik yang terdiri dari cobalt dan samarium. Mereka berhasil membuktikan bahwa deformasi plastis tanpa penekanan pada dislokasi tidak hanya mungkin, tetapi juga cukup mudah dicapai.

Hasil penelitian

Sebelum menguji segala sesuatu dalam praktiknya, para ilmuwan melakukan simulasi menggunakan model atom tertanam ( EAM ), diadaptasi ke banyak properti Sm, Co dan Sm - Co. Dalam perhitungan, ukuran butir yang berbeda diperhitungkan: dari 5 nm hingga 65 nm. Setiap sampel yang dipelajari dalam model berisi 10 butir dengan orientasi acak. Ukuran butir selama transisi dari sampel ke sampel berubah, tetapi orientasinya tetap sama. Para ilmuwan telah menciptakan model ketegangan uniaksial dan kompresi uniaksial pada tingkat regangan 10 ⁸ s ^-1 .


Gambar No. 1

Grafik 1a dan 1b menunjukkan hasil simulasi kompresi. Ditemukan bahwa konservasi plastisitas dipertahankan hingga ukuran butir 37 nm. Dalam kasus butir yang lebih besar, peningkatan stres diamati, tetapi tidak ada tanda-tanda rasio Hall-Petch.

Sebagai perbandingan, para ilmuwan melakukan simulasi tarik untuk tembaga (Cu), di mana tanda-tanda implementasi hubungan Hall-Petch dan rasio Hall-Petch terbalik untuk butir kurang dari 12 nm terlihat jelas.

Pada saat yang sama, sampel SmCo ₅ menunjukkan deformasi plastik bening untuk semua ukuran butiran tanpa celah atau retak, bahkan jika deformasi sebenarnya mencapai 18%.

Untuk mengkonfirmasi hasil simulasi, para peneliti mengukur kekerasan mikro sampel SmCo ₅ dengan ukuran butir yang berbeda. Perbedaan ditemukan dalam hasil ketergantungan diukur dari kekerasan pada ukuran butir ( 1c ) dan ketergantungan kekuatan pada ukuran butir ( 1b ) yang diperoleh selama simulasi. Mengingat fakta bahwa perkiraan proporsionalitas dari kekerasan mikro dan kekuatan diharapkan, dapat dikatakan bahwa percobaan mengkonfirmasi hasil simulasi.

Juga ditemukan bahwa kekuatan SmCo ₅ (~ 2 GPa dengan ukuran butir 12 nm) sebanding dengan kekuatan hcp (hexagonal close-packed) lattice Co.

Dalam HCP (face-centered) dan HCP (close-packed hexagonal) logam, peningkatan batas butir dengan penurunan ukuran butir dijelaskan oleh penurunan jumlah dislokasi yang terbentuk pada batas pada material berbutir halus.

Dalam model yang disajikan dalam penelitian ini, tidak ada slip dislokasi yang diamati, dan ini konsisten dengan hambatan energi yang relatif tinggi untuk nukleasi dan gerakan dislokasi yang ditemukan dalam perhitungan permukaan energi potensial (PES) dari slip keras.


Gambar No. 2

Gambar 2a menunjukkan contoh PES yang dihitung menggunakan teori fungsional kerapatan (DFT) dan model atom terendam (EAM). Para ilmuwan mencatat bahwa meskipun kurangnya hubungan langsung antara potensi dan PES, kedua metode memberikan hasil yang sangat mirip.

Skor EM terendah, yaitu energi maksimum, (1982 mJ / m2) diamati untuk slip basal [(0001) ⟨1120⟩]. Piramidal 2 s + slip [(1121) ⟨1126⟩] memiliki EM yang sebanding pada tahap slip awal, tetapi EM aktual yang timbul pada jarak slip 6,5 Å sangat tinggi (65280 mJ / m ² ). Piramidal c + slip [(1121) ⟨2113⟩] menunjukkan EM (29680 mJ / m2) segera pada awal slip.

Pengamatan yang paling penting, menurut para peneliti, adalah bahwa untuk SmCo ₅ bahkan EM terendah adalah satu urutan besarnya lebih tinggi dari nilai yang dihitung untuk logam hcp biasa.

Selain itu, energi yang dimasukkan ke dalam kristal oleh dislokasi sebanding dengan b ² , di mana b adalah panjang vektor Burgers * . Nilai b untuk dislokasi di SmCo _{5 berada di} atas 5 Å, yaitu secara signifikan lebih tinggi daripada, misalnya, nilai 2,55 Å untuk Cu [(111) ⟨110⟩] dan 3,21 Å untuk sistem slip Mg [(0001) ⟨1120⟩].

Vektor burger * - secara kuantitatif menggambarkan distorsi kisi kristal di sekitar dislokasi.

Meskipun dislokasi glide lengkap tidak diamati selama percobaan, ada tanda-tanda glide parsial ( 2b + 2c ) pada sistem piramidal ( 2b ). Sifat slip parsial ini dapat dipahami jika kita memperhatikan PES pada grafik 2a . Pada awal slip, energinya cukup rendah, dan slip berhenti pada jarak kurang dari ~ 1,5 Å, karena bertabrakan dengan EM yang tinggi.

Gambar 2b menunjukkan slide piramidal yang tidak lengkap, sedangkan gambar 2c menunjukkan hal yang sama, tetapi pada tingkat atom.

Jarak slip yang diamati selama simulasi jauh lebih pendek dari panjang vektor Burgess, yaitu 9,5 Å.

Basal glide tidak terdeteksi. Ini mungkin memiliki penjelasan berikut: probabilitas bahwa bidang dasar tunggal akan memiliki tegangan geser terbesar kurang dari probabilitas bahwa salah satu dari tiga bidang untuk 2 detik + selip akan memiliki tegangan geser yang cukup tinggi untuk memulai slip ( 2c ), bahkan jika basal glide memiliki EM terendah.

Jelas bahwa SmCo ₅ tidak memiliki lima sistem slip independen untuk dislokasi (pada kenyataannya, mereka tidak sama sekali) yang dapat terus beradaptasi dengan deformasi, menjamin deformasi plastis plastis dari polikristal. Bahan semacam ini biasanya sangat rapuh, tetapi tidak dalam hal ini, karena pemodelan jelas menunjukkan tingkat keuletan yang tinggi.


Gambar No. 3

Selama pemodelan dan perhitungan, ditemukan bahwa daktilitas SmCo ₅ adalah karena meluncurnya batas butir dan amorfisasi langsung di sepanjang bidang geser. Ilmuwan menyebut struktur yang diperoleh sebagai hasil dari proses seperti pita geser amorf * .

Pita geser * - area deformasi lokal dalam logam atau paduan.

Paling sering, apa yang disebut mekanisme akomodasi diperlukan untuk terjadinya geser batas dalam bahan polikristalin, yaitu mekanisme yang menghilangkan stres yang terakumulasi dalam triple joint (seperti tee dalam geologi) karena meluncurnya batas butir yang berdekatan ( 3a - 3d ).

Ketika tegangan geser batas melebihi kekuatannya, pergeseran batas ( 3a ) dan akumulasi tekanan lokal pada senyawa terner ( 3b ) terjadi. Stres lokal menolak terus meluncur di sepanjang batas dan mulai tumbuh dengan meningkatnya stres. Pada saat mencapai titik kritis, tegangan mengarah pada pembentukan pita geser amorf dari senyawa terner ( 3c ). Karena fakta bahwa nukleasi heterogen melepaskan tekanan lokal ( 3d ), geser batas berlanjut. Selama proses ini, pelunakan tiba-tiba diamati, dan setelah itu - stabilisasi tegangan. Proses serupa diamati untuk deformasi tarik dan untuk kompresi.

Untuk mengkonfirmasi amorf daerah dalam slip, fungsi distribusi pasangan ( PDF - fungsi distribusi pasangan ) dari Co-Co dan Sm-Sm di daerah biji-bijian lokal dihitung. Hasil perhitungan dibandingkan dengan yang untuk kristal tunggal dan massa amorf ( 3e , 3f ).

Analisis komparatif dari perhitungan menunjukkan bahwa untuk sampel yang terdeformasi di bawah kompresi hingga 9,4%, puncak dalam PDF zona kristal lebih lebar dan lebih rendah karena distorsi lokal, tetapi tetap memiliki kemiripan yang jelas dengan yang terdapat pada kristal tunggal. Tetapi PDF yang dihitung dalam pita geser bertepatan sempurna dengan yang untuk sampel SmCo ₅ amorf, dan ketergantungan PDF pada ukuran butir tidak terdeteksi sama sekali.

Selanjutnya, para ilmuwan harus memeriksa prediksi mereka bahwa SmCo ₅ dapat mengalami deformasi plastis yang signifikan. Untuk ini, percobaan dilakukan selama sampel dalam bentuk kolom mikro menjadi sasaran deformasi.

Ditemukan bahwa sampel SmCo ₅ benar-benar berubah bentuk plastis dan tidak runtuh ketika terkena stres lebih dari 20%. Selanjutnya, mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) digunakan pada sampel SmCo ₅ yang dideformasi oleh tekanan. Hal ini memungkinkan untuk memverifikasi teori pita geser amorf yang disebabkan oleh stres. Mikroskopi mengkonfirmasi adanya beberapa pita geser di daerah deformasi ( 3g ). Yang paling menarik adalah tidak ditemukan dislokasi di wilayah studi.

Grafik FFT (transformasi cepat Fourier) dan invers FFT menunjukkan bahwa pita geser adalah amorf, sedangkan daerah out-of-band adalah kristal ( 3 jam - 3j ). Juga ditemukan bahwa pita geser amorf merambat dalam butiran tanpa retak.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Dalam karya ini, para peneliti berhasil menunjukkan teorinya dalam praktik - dunia tidak bertemu dalam dislokasi pada dislokasi. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan percaya bahwa dislokasi harus bergerak, yang akan memungkinkan logam menjadi ulet dan tidak pecah pada tekanan sedikit pun. Namun, pernyataan ini keliru, yang dikonfirmasi oleh penelitian yang kami teliti hari ini.

Di masa depan, para ilmuwan dari University of Wisconsin bermaksud untuk melanjutkan studi tentang logam, berkonsentrasi pada pencarian sifat-sifat tersembunyi mereka. Mungkin properti ini tidak begitu tersembunyi, mungkin hanya pernyataan keliru yang sebelumnya dibuat mengarahkan kita ke arah pencarian yang salah? Mungkin begitu, mungkin para peneliti di masa depan akan dapat menyanggah pasangan lebih “aksioma” dari dunia ilmu material. Bukan karena tidak ada yang mereka katakan, kepercayaan - tapi periksa.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran, dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?