Polykrystallinske materialers egenskaber kan udledes af mikroskopiske enkeltkrystalprøver

Ved at udføre mikromekanisk test på enkeltkrystaller af nikkel, ANSTO materialeforskere var i stand til at udlede bulkegenskaberne af et polykrystallinsk materiale på en måde, der er nyttig til ingeniørarbejde.

Trækegenskaber udvindes normalt fra beregningsmæssige eller sofistikerede matematiske modeller efter indrykning eller mikro-cantilever-test, når det tilgængelige materialevolumen er lille - såsom i tilfælde af tyndfilmsflerlag, ionbestrålede materialer og overfladebelægninger.

I et papir offentliggjort i International Journal of Plasticity, efterforskerne ledet af ANSTO seniorforsker Dr. Dhriti Bhattacharyya rapporterede resultaterne af in situ mikro-trækprøvning for at evaluere de kombinerede effekter af belastningshastighed og orientering på deformationsadfærd i enkeltkrystaller af nikkel.

"Selvom forskellige orienteringer var kendt for at have forskellige styrker, vi ønskede at bestemme spændings-/belastningsadfærden, der trækker i en eller anden retning af krystallen, og hvis belastningshastigheden, eller deformationshastighed, havde forskellige virkninger i forskellige retninger, " sagde Bhattacharyya.

Stammehastighedsfølsomhed er et velkendt fænomen i makroskopiske test, men det er ikke godt forstået på mikroskopisk niveau, " han sagde.

Ud over at bidrage til en grundlæggende forståelse af mekanisk deformation i mikroskopisk skala, den potentielle omkostningsbesparelse ved at ekstrapolere makroegenskaber ved hjælp af prøver i mikronstørrelse er betydelig sammenlignet med standardprøver i millimeterstørrelse, som nogle gange er umulige at opnå i tilfælde af tynde film og overflademodificerede materialer.

"Vi valgte trækprøvning, fordi for næsten alle materialer vil du gerne vide, hvordan materialet fungerer under spænding, " sagde Bhattacharyya.

De fandt ud af, at træk langs specifikke orienteringer af krystallen gør en forskel for den ultimative styrke, duktilitet og måden hvorpå krystallen deformeres.

I polykrystallinske materialer, fordi hvert korn har en anden orientering, en eller anden form for gennemsnit bruges til at bestemme kornets egenskaber

I disse forsøg, effekten af ​​deformationshastighed og krystalorientering blev målt i 10 prøver med 12 mikron størrelse.

Dr. Alan Xu trak prøverne ved hjælp af en avanceret mikromekanisk testmaskine langs en retning vinkelret på den kubiske flade af krystalenhedscellen (100) og langs fladediagonalen af ​​enhedscellen (110) og målte respons.

Orienteringerne blev valgt på grund af forventningen om flere slip på forskellige antal slipsystemer.

"Vi fandt forskellig adfærd både med hensyn til forskydningen, hvordan formen deformeres, men også i forhold til stress/strain-kurven, " sagde Xu.

Forlængelsen af ​​[110] prøverne (som afbildet ovenfor i videoen) var næsten det dobbelte af de [100] prøver.

Spændings-/belastningskurven afslørede, at den [110] orienterede prøve udviste en indledende spændingstop, efterfulgt af blødgøring, en fladbundet dal, en sekundær hærdning og top og til sidst blødgøring og svigt.

"I dette eksempel, glidningen sker som at vifter ud af en stak kort, " sagde Bhattacharyya.

Den dobbelte peak i en stress-/strain-kurve menes at være et unikt fænomen.

Efterforskerne tilskrev dette til en indledende glidning ved en række parallelle glidetrin langs hele sporvidden. Imidlertid, når strømningsspændingen blev øget på grund af belastningshærdning på dette plan, ledsaget af en rotation af krystallen, et andet slipsystem på et andet plan blev aktiveret.

Den [100] orienterede prøve glider på mindst to forskellige planer indledningsvis (som afbildet i videoen ovenfor); efterfulgt af fire mulige glidesystemer. Der dannes gradvist flere glidetrin på flere glideplaner rundt om det halsede område for at imødekomme spænding, og prøven brækkede på en knivægslignende måde.

Elektronstråle-tilbagespredningsdiffraktion blev brugt til at identificere orienteringen af ​​krystallerne.

"Hvor meget krystallerne afviger fra deres oprindelige orientering er en indikator for, hvor meget krystallen selv har roteret, " sagde Xu.

"Trækning langs begge orienteringer viste, at duktiliteten steg med det dobbelte langs ansigtet diagonalt, hvilket var interessant, " sagde Bhattacharyya.

Den kritiske opløste forskydningsspænding (CRSS), det er, den mindste forskydningsspænding, der kræves for plastisk deformation langs et bestemt plan, blev beregnet ud fra flydespændingen for de [100] og [110] orienterede enkeltkrystalprøver til at være henholdsvis ~73 MPa og ~63 MPa.

Den lille afvigelse af disse værdier fra CRSS-værdier for nikkel menes at kunne tilskrives effekter på grund af forskel i størrelse og initial dislokationstæthed. Dislokationsdensitet refererer til antallet af dislokationer i en enhedsvolumen af ​​et krystallinsk materiale.

"Vigtigt, den beregnede spændingshastighedsfølsomhed viste sig at være i samme størrelsesorden som makroskopiske prøver af nikkel, " sagde Bhattacharyya.

ANSTO materialeforsker Michael Saleh brugte Taylors teori om polykrystalplasticitet og Hall-Petch-teorien om korngrænseforstærkning med strømningsspændingsbelastningsdata fra de eksperimentelle enkeltkrystalprøver for at opnå omtrentlige spændingsbelastningsfølsomheder for polykrystaller.

"Der var rimelig overensstemmelse mellem den forudsagte flowkurve og den eksperimentelle kurve, " sagde Saleh, som er ekspert i computermodellering.

"Hvis vi ønskede at få strømningsspændingen for en kornstørrelse på 100 mikron, vi kan gøre det gennem denne form for modellering ved hjælp af plasticitetsteori, fordi mikroskalaresponsen af ​​enkeltkrystaller komplementerer makroskalaresponsen."

Den næste fase af forskningen vil involvere test af ionbestrålede materialer under lignende testbetingelser.