可塑性和强度：金属间化合物的硬化而不强调位错

几千年前，人类熟悉了惊人的材料，这些材料已在生活的各个领域中得到应用。 这些是金属。 由于我们常常不能仅使用地球所提供的能量，因此许多伟大的思想家提出了各种加强/硬化金属的方法。 但是，一切都有其自身的局限性，人们认为无法克服有关位错的金属晶体结构的某些局限性。 今天，我们将结识一项研究，威斯康星大学麦迪逊分校（美国）的科学家证明，现在该重写以前有关金属的规定了。 这种金属的晶体结构究竟有什么作用？为什么位错的固定不是那么简单？在这项研究中，什么样的of头对人类是隐藏的？ 我们从科学家的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

在不脱离收银机的情况下锻造熨斗。 几个物理术语立即隐藏在此隐喻中，其中之一是延展性-一种材料的属性，它决定了其通过变形处理的能力，即 伪造的。 对于金属，延展性是延展性的一种指标。 在增强金属强度的情况下，该指标受的影响最大，因此，在某个关键时刻，它可能会开裂。 在这项研究中，科学家创造了一种技术来忘掉这个问题，但后来又忘记了。

上世纪初，科学家意识到，弯曲金属比弯曲其分子结构（通常是三维晶格）要容易得多。 没有什么是完美的，任何事物都有缺陷，甚至是固体的晶格。 它们被称为脱位。 这些晶格不精确度会充分移动，从而使金属具有很高的延展性。 如果我们要硬化金属，那么就不能碰到位错，它们是无法碰到的，至少如先前所认为的那样。

在我们今天正在考虑的工作中，科学家无需借助位错就能够获得金属间*的高度塑性变形。

金属间化合物* -两种或多种金属的化合物。

值得注意的是，其晶粒（微晶）在金属的机械性能中起重要作用。 如果晶粒较小，则变形的主要机理是晶粒边界的滑动/位移。 如果晶粒大，则金属会沿剪切平面直接非晶化而变形。



以各种方式实现对金属的强化，其中最有效的方法是改变晶粒尺寸。 晶粒越小，金属越坚固。 更科学地讲，这可以表示为Hall-Petch定律（或Hall-Petch关系）。 当位错沿晶界的移动被阻止时，该定律的效果生效。 但是，取决于该定律描述的晶粒尺寸的强度缩放会破坏具有面心晶格的金属。


面心晶格方案。

同样，该定律不能无休止地应用，因为当晶粒尺寸小于12-15 nm时，金属强度不会如Hall-Petch定律所建议的那样增加，而是降低。 这种现象称为霍尔-匹奇逆定律。

研究人员并不否认位错的固定可以使金属硬化，但是这对其延展性产生了明显的负面影响。 出于这个原因，除了位错之外，对其他用于变形放置的机制的研究也可能为构造具有独特机械性能的材料开辟新的可能性。

在他们的工作中，科学家们使用using钴（SmCo ₅ ）（一种由钴和modeling组成的金属间化合物）进行了建模和实际实验。 他们设法证明，不注重位错的塑性变形不仅是可能的，而且很容易实现。

研究成果

在实践中进行所有测试之前，科学家使用嵌入原子模型 （ EAM ）进行了模拟，该模型适用于Sm，Co和Sm – Co的许多特性。 在计算中，考虑了不同的晶粒尺寸：从5 nm到65 nm。 模型中的每个研究样本均包含10个随机取向的晶粒。 从样品过渡到样品的过程中晶粒尺寸发生了变化，但方向保持不变。 科学家创建了应变率为10 ⁸ s ^-1的单轴拉伸和单轴压缩模型。


图片编号1

图1a和1b显示了压缩模拟的结果。 已经发现，直到37nm的晶粒尺寸都保持了可塑性的保持。 在较大晶粒的情况下，观察到应力增加，但是没有霍尔-普奇比的迹象。

为了进行比较，科学家对铜（Cu）进行了拉伸模拟，在此模拟过程中，清晰可见了小于12 nm晶粒的Hall-Petch关系和逆Hall-Petch比的迹象。

同时，即使真实变形达到18％，SmCo ₅样品在所有晶粒尺寸下均显示出明显的塑性变形，而没有空隙或裂纹。

为了证实模拟结果，研究人员测量了不同晶粒尺寸的SmCo ₅样品的显微硬度。 在模拟过程中获得的硬度对晶粒尺寸的依赖性（ 1c ）和强度对晶粒尺寸的依赖性（ 1b ）的结果中发现了差异。 考虑到预期的显微硬度和强度近似成比例的事实，可以说实验证实了模拟结果。

还发现SmCo ₅ （〜2 GPa，晶粒尺寸为12 nm）的强度与hcp（六方密堆积）晶格Co的强度相当。

在HCP（面心）和HCP（密堆积六角形）金属中，晶粒尺寸减小导致晶界增强，这是由于在细晶粒材料中在边界处形成的位错数量减少所解释的。

在研究中提出的模型中，未观察到位错的滑移，这与在硬滑移的势能面（PES）的计算中发现的位错形核和运动的较高能垒相一致。


图片编号2

图2a显示了使用密度泛函理论（DFT）和沉浸原子模型（EAM）计算得到的PES的示例。 科学家指出，尽管潜力与PES之间没有直接关系，但两种方法都得出了非常相似的结果。

最低的EM分数，即 基底滑移[（0001）⟨1120⟩]观察到最大能量（1982 mJ / m ² ）。 金字塔2 s +滑移[（1121）⟨1126⟩]在初始滑移阶段具有可比的EM，但是在6.5滑移距离处产生的实际EM非常高（65280 mJ / m ² ）。 锥体c +滑移[（1121）⟨2113⟩]在滑移开始时立即显示EM（29680 mJ / m ² ）。

根据研究人员，最重要的观察结果是，对于SmCo _5，即使最低的EM值也比普通hcp金属的计算值高一个数量级。

另外，由位错引入晶体的能量与b ²成正比，其中b是Burgers向量*的长度。 SmCo _5中位错的b值高于5Å，即 例如，它大大高于Cu [（111）⟨110⟩]的2.55Å和滑移系统Mg [（0001）⟨1120⟩]的3.21Å。

Burgers向量* -定量描述位错周围的晶格畸变。

尽管在实验过程中未观察到完全错位滑行，但在锥体系统（ 2b ）上有部分滑行的迹象（ 2b + 2c ）。 如果我们注意图2a中的PES，则可以理解该部分滑移的性质。 在滑移开始时，能量非常低，滑移在小于〜1.5Å的距离处停止，因为它会与高EM发生碰撞。

图像2b显示不完整的金字塔形滑片，而图像2c显示相同，但​​处于原子级。

在仿真过程中观察到的滑移距离比Burgess矢量的长度9.5 A短得多。

未检测到基底滑行。 这可能有以下解释：单个基面具有最大剪切应力的概率小于三个平面之一持续2 s +滑移的概率足以引发滑移的剪切应力（ 2c ），即使基底滑行的EM最低。

显然，SmCo ₅没有五个独立的错位滑移系统（实际上根本没有），它们可以继续适应变形，从而保证了多晶的任意塑性变形。 这种材料通常非常易碎，但在这种情况下却不是，因为建模显然显示出高度的延展性。


图片编号3

在建模和计算过程中，发现SmCo ₅的延展性归因于晶界的滑动和沿剪切平面的直接非晶化。 科学家称这种过程获得的结构为非晶剪切带* 。

剪切带* -金属或合金中的局部变形区域。

最常见的是，所谓的调节机制对于在多晶材料中发生边界滑动是必要的。 这种机制可以缓解由于相邻晶界（ 3a - 3d ）滑动而在三重接头（如地质三通）中累积的应力。

当边界的切应力超过其强度时，边界（ 3a ）的非常滑动和三元化合物（ 3b ）中局部应力的累积发生。 局部应力抵抗沿边界的进一步滑动，并随着应力的增加而开始增长。 在达到临界点时，应力导致由三元化合物（ 3c ）形成无定形剪切带。 由于异质形核释放局部应力（ 3d ），边界的滑动仍在继续。 在此过程中，观察到突然的软化，然后是电压稳定。 对于拉伸变形和压缩均观察到相似的过程。

为了确认滑移区域的非晶性，计算了局部晶粒区域中Co-Co和Sm-Sm的对分布函数 （ PDF- 对分布函数 ）。 将计算结果与单晶和非晶质（ 3e ， 3f ）的计算结果进行了比较。

计算结果的比较分析表明，对于受压变形至9.4％的样品，由于局部畸变，结晶区PDF的峰宽且低，但与单晶具有明显相似性。 但是，在剪切带内计算的PDF与块状无定形SmCo ₅样品的PDF完全吻合，并且根本没有检测到PDF对晶粒尺寸的依赖性。

接下来，科学家不得不检查他们对SmCo ₅可能会发生明显塑性变形的预测。 为此，进行了实验，在该实验期间以微柱形式的样品发生变形。

发现SmCo ₅样品实际上受到塑性变形，并且在受到超过20％的应力时不会塌陷。 接下来，在因压力而变形的SmCo ₅样品上使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）。 这使得可以验证由应力引起的非晶剪切带的理论。 显微镜检查证实在变形区域（ 3g ）中存在几个剪切带。 最有趣的是，在研究区域内未发现任何错位。

FFT（快速傅立叶变换）和逆FFT曲线图显示，剪切带是非晶的，而带外区域是结晶的（ 3h - 3j ）。 还发现无定形剪切带在晶粒中传播而没有破裂。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料 。

结语

在这项工作中，研究人员能够在实践中成功证明他们的理论-世界并没有因错位而陷入错位。 多年来，科学家认为位错应该是可移动的，这将使金属具有韧性，并且即使在最小的应力下也不会断裂。 但是，这一说法是错误的，我们今天检查的研究证实了这一说法。

将来，威斯康星大学的科学家打算继续对金属进行研究，重点是寻找其隐藏特性。 也许这些属性不是那么隐蔽，也许只是先前建立的错误陈述将我们引向了错误的搜索方向？ 也许是这样，也许将来的研究人员将能够从材料科学世界中揭穿更多的“轴心”。 他们说的不是信任，而是检查。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)

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