Høj entropi legeringer har nøglen til at studere dislokationsskred i metaller

Mekaniske strukturer er kun lige så sunde som de materialer, de er fremstillet af. I årtier har forskere studeret materialer fra disse strukturer for at se, hvorfor og hvordan de fejler. Inden katastrofal fiasko, der er individuelle revner eller forskydninger, der dannes, som er signaler på, at en struktur kan svækkes. Mens forskere tidligere har undersøgt individuelle forskydninger, et team fra University of Illinois i Urbana-Champaign, University of Tennessee, og Oak Ridge National Laboratory har gjort det muligt at forstå, hvordan dislokationer organiseres og reagerer på nanoskala.

"Metaller er lavet af polykrystaller, og krystallerne har atomer arrangeret på en ordnet måde, "forklarede hovedforfatter Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff Professor i materialevidenskab og teknik og tilknyttet Frederick Seitz Materials Research Lab i Illinois. "Når der anvendes kraft i disse metaller, krystallen vil glide og bevæge sig mod hinanden. En struktur som en bro kan have mange forskydninger, som kan bevæge sig, men mængden af ​​bevægelse er så lille, det har ikke en konsekvens. Imidlertid, som tusinder eller titusinder af forskydninger floker sig ind i et metal, og de producerer lokal stress. Denne organisation kan føre til pludselig deformation, som en sne -lavine. Det er meget dramatisk og meget vanskeligere at kontrollere. "

Holdet, som også omfatter Illinois kondenseret fysiker Karin Dahmen, offentliggjorde sine resultater i Kommunikationsfysik . Det eksperimentelle arbejde blev udført af Dr. Yang Hu, som en del af sin ph.d. -afhandling.

Indtil denne undersøgelse kunne forskere ikke forstå mekanismen bag dislokationsskred inden for en struktur. Imidlertid, Illinois -teamet fandt ud af, at en række dislokationer hober sig op og danner en dæmning for at forbyde bevægelse. Bag dæmningen er sammenfiltrede forvridninger. Når der er nok pres, der dannes en lavine, der får dæmningen til at vige og pludselig bevægelse af de sammenfiltrede dislokationer, som svækker metallet og i sidste ende kan føre til katastrofalt svigt. Ved at have en bedre forståelse af denne proces, denne undersøgelse lover at hjælpe med at udvikle endnu stærkere materialer i fremtiden og bedre forudsige, hvornår en struktur kan være i fare.

For at undersøge dislokationerne, der ligner strenge på så små som 10-9 meter i bredden, de fulgte udviklingen af ​​dislokationsskrederne i de komprimerede nanopiller i en høj entropilegering (HEA). HEA har den samme gennemsnitlige struktur som kobber eller guld. Men atomerne er arrangeret på en sådan måde, at forskerne kan foretage samtidige målinger og korrelere forskydningsbevægelse med mekanisk reaktion og præcisere præcis, hvor lavinen opstår. Ved at identificere dislokationsbåndene, forskere er i stand til at se, hvad der sker før, i løbet af, og efter lavinen.

"Folk har forstået, hvordan individuelle forskydninger bevæger sig, men indtil dette tidspunkt har de ikke forstået, hvordan de pludselig bevæger sig sammen, "Zuo bemærkede." Vores innovation er at bruge et nyt materiale (HEA) til at studere et meget gammelt problem og udvikle denne teknik til at gøre det. "

Fordi dislokationerne typisk strukturerer sig med mikroner fra hinanden (tænk netværket af revner i et islag efter at have gået på det), det gør det svært at identificere en enkelt hændelse ved at se dem inde i et mikroskop, der kun fungerer med tynde prøver (inde i et transmissionselektronmikroskop, prøvetykkelsen er typisk mindre end en mikron).

"I et konventionelt metal, forskydningerne er for langt fra hinanden, end hvad vi kan se på én gang, derfor forsvinder de på overfladen "forklarede Zuo." Også, et deformeret metal har masser af dislokationer, men kun få, der faktisk er aktive. På grund af det, nogle forskere har kommenteret, når folk ser på deformationen bagefter i metallet, det er som at besøge en dislokationskirkegård. "

For at være vidne til en fuldstændig enkelt lavine, Zuo og hans team havde brug for at finde et materiale, hvor forskydningen interagerer i meget mindre skala. HEA er en ny type legering, der består af fem forskellige metalelementer (Al0.1CoCrFeNi). Fordi hvert metalatom har en anden størrelse, og krystallen er forvrænget, det bremser forskydningen, hvilket gør det muligt at gemme mange forskydninger og en lavine inden for et relativt lille volumen.

Illinois -forskerne var i stand til at måle forskydningen gennem en teknik kaldet nanoindentation. De tager et stykke HEA og bruger en ionstråle til at fremstille en nanopillar og anvende kraften på nanopillar med en lille flad diamantspids af en nanoindenter.

"Dette materiale giver os mulighed for at se på forskydninger på nanoskalaen (500 nanometer), "sagde Zuo, forklarer processen. "Vi har et mekanisk laboratorium, der anvender en kraft på en testprøve inde i et elektronmikroskop. Når spændingen påføres, prøven deformeres. Når stress overstiger den stress, der er nødvendig for, at dislokationen kan bevæge sig inde i nanopilleren, forskydningen vil formere sig. Når forskydningen bevæger sig og støder på en modstand, de bremser og bliver sammenfiltrede og danner et dislokationsbånd. Hvis du tænker på stress som vandgennemstrømning, så er forvrængningsskredet som en dæmning, der går i stykker, og vand pludselig løber ud. HEA gør observationen mulig. "

Resultaterne af processen er to målinger - først en mekanisk måling, som gør det muligt for forskerne at undersøge, hvor meget kraft det tager for dislokationerne at bevæge sig, og hvor meget, og for det andet, elektronisk billeddannelse for at fange dislokationsbevægelsen i en video. Ingen undersøgelser har tidligere været i stand til at koble elektronisk billeddannelse og mekanisk kraftmåling sammen for at undersøge forskydninger i lavninger.

"Fra tidligere akkumulative undersøgelser, vi vidste, hvordan dislokationer frembringes, og vi har været i stand til at studere, hvad der blev efterladt, "Zuo sagde." Denne undersøgelse giver et kritisk svar på, hvordan dislokationer interagerer. "

Zuo tilføjer, at denne type måling kan bruges til at udvikle teori og beregningsmodeller, der kan bruges til at forudsige, hvordan materialer vil opføre sig under bestemt stress.

"Det er vigtigt, fordi katastrofalt svigt starter med denne type pludselig deformation, "Sagde Zuo." Vi vil være i stand til bedre at forudsige handlingen, før der er katastrofal fiasko. Det skulle igen føre til udvikling af meget stærkere materialer. "

Denne undersøgelse falder sammen med en stærk indsats på tværs af Illinois -campus for at bruge HEA til atomreaktorer og applikationer med høj temperatur.

"HEA'er er stabile ved høje temperaturer og kan rumme masser af belastning, "Sagde Zuo." Hvis vi forstår dislokationsstrukturen, det vil hjælpe med at udvikle materialer til meget udfordrende applikationer. "