Minimal interface-strukturer begrænset i polykrystallinsk kobber med ekstremt fine korn

Metaller med nanoskala krystalkorn er superstærk, selvom de ikke bevarer deres struktur ved højere temperaturer. Som resultat, det er udfordrende at udforske deres høje styrke under materialeapplikationer. I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab , X. Y. Li og et team af forskere inden for materialevidenskab og teknik ved Chinese Academy of Sciences og Shanghai Jiaotong University i Kina, fundet en minimumsgrænsefladestruktur i kobber (Cu) med korn i størrelse på 10 nanometer, som de kombinerede med et nanograin krystallografisk twinning -netværk for at bevare høj styrke ved temperaturer lige under smeltepunktet. Opdagelsen gav en anden vej til opnåelse af stabiliserede nanograinerede metaller til applikationer inden for metallurgi og materialeteknik.

Låsning af nanostyrken

Metaller findes som polykrystallinske faste stoffer, der er termodynamisk ustabile på grund af deres uordnede korngrænser (GB) og har en tendens til at være mere stabile, når korngrænser elimineres for i sidste ende at danne enkeltkrystaller. Ved hjælp af eksperimenter og molekylær dynamiksimuleringer Li et al. opdagede en anden type metastabil tilstand for ekstremt finkornet polykrystallinsk rent kobber (Cu). For finkornede polykrystaller med en høj nok korngrænsetæthed, transformation til en metastabil amorf tilstand er en alternativ mulighed for stabilisering og forventes ud fra et termodynamisk synspunkt. Sådanne amorfe stater, imidlertid, sjældent dannes for de fleste metallegeringer og rene metaller under konventionelle forhold, derfor er det stadig at forstå, om andre metastabile strukturer kan vedtages, når polykrystallinske korn støttes raffineres til ekstremt små skalaer.

En metastabil tilstand på nanoskalaen

For eksempel, når kobber (Cu) og nikkel (Ni) korn raffineres til nogle få titalls nanometer i størrelse gennem plastisk deformation, processen kan udløse den autonome afslapning af korngrænsen til lavenergitilstande med korngrænsedissociationer. Nanograinerede strukturer kan derfor udvikle sig til mere stabile tilstande ved at nærme sig den ekstreme kornstørrelse. Ved hjælp af eksperimentelle og molekylære dynamiske (MD) simuleringer, Li et al. opdagede en metastabil tilstand i polykrystallinsk ren Cu med kornstørrelser på et par nanometer, dannet ved udviklingen af ​​korngrænser til tredimensionelle (3-D) minimale grænsefladestrukturer begrænset via tvillingegrænsenetværk.

Under forsøgene, holdet brugte en totrins plastisk deformationsproces til overflademekanisk slibningsbehandling og højtryks torsion i flydende nitrogen til at forfine korn af polykrystallinsk kobber med en renhed på 99,97 vægtprocent i nanoskalaen. Brug af lysfelts transmissionselektronmikroskopi, Li et al. opnåede billeder af de ekstremt fine korn, hvor prøven optrådte som uregelmæssige aggregater eller kæder forbundet til hinanden for at danne kontinuerlige netværk. Aggregaterne var lavet af flere individuelle korn på få nanometer i størrelse. De bittesmå krystallitter var forbundet med hinanden via atomtynde grænser, og teamet opdagede ikke amorfe faser eller porer.

Karakteriserer kornene

Li et al. karakteriserede materialets individuelle korn ved at vippe prøverne under højopløselig transmissionselektronmikroskopi for at løse deres gitterbilleder og identificerede forskellige geometrier for mange individuelle korn. Kornets former lignede en afkortet oktaeder; en gunstig mulighed for korn mindre end 10 nanometer. Teamet bestemte den termiske stabilitet af tilberedte Cu-prøver med en gennemsnitlig kornstørrelse på 10 nm gennem isotermisk glødning ved forskellige temperaturer. Li et al. opdaget flere tvillinger i de glødede korn, muligvis på grund af yderligere dissociation af korngrænser under glødning ved forhøjede temperaturer. Ved at hæve temperaturerne over 1357 K, forskerne forårsagede smeltning, på hvilket tidspunkt forsvandt alle nanograiner.

De forberedte derefter en anden prøve med større korn til sammenligning med den samme proces, men med mindre belastning. Observationerne understøttede ideen om, at korngrænselaksationer i polykrystaller med mindre kornstørrelse vil forbedre stabiliteten. Ved hjælp af nanoindentationseksperimenter, de bemærkede usædvanlig stabilitet for de ekstremt velraffinerede korn i den polykrystallinske struktur.

Holdet opstillede derefter en atomistisk model for at undersøge den fremragende stabilitet af de ekstremt fine Cu -korn. For at opnå dette, de konstruerede en udvidet Kelvin -supercelle med henvisning til Kelvin -modellen, med 16 afkortede oktaedraformede korn af samme størrelse og anerkendte de grundlæggende egenskaber ved korngrænsenetværk. Teamet valgte også en udvidet Kelvin polykrystal med en indledende kornstørrelse på 3,27 nm som en startstruktur for enkelhed og gennemførte MD (molekylær dynamik) simuleringer for at slappe af prøven ved at varme den op ved forskellige måltemperaturer. Under molekylær dynamisk afslapning og efterfølgende opvarmning, korngrænserne i den udvidede Kelvin -polykrystal omdannet til forskellige strukturer gennem forskellige begivenheder.

Mens nogle korn skrumpede og til sidst forsvandt ved opvarmning på grund af korngrænsemigration, hele korngrænsenettet faldt ikke sammen, i stedet fusionere og udvikle sig til forskellige former for topologisk at ligne Schwarz D -overfladen (overflader periodisk i tre dimensioner). Ifølge MD -resultaterne transformationen blev termodynamisk drevet. Derudover den polykrystallinske struktur med Schwarz D -grænseflader var mere stabil end Kelvin -polykrystaller.

Schwarz D-strukturens rolle

Schwarz D -strukturen opnået i dette arbejde forblev stabil ved forhøjede temperaturer. I stedet for at grove, korngrænse -ruhed opstod, da smeltepunktet nærmede sig; på hvilket tidspunkt den flydende fase blev kernet heterogent ved 1321 K, hvilket tyder på, at den øvre termiske stabilitet begrænses kinetisk ved smeltning af korngrænser. Teamet gennemførte uniaxiale trækbelastningstest på den kohærente tvillingegræns (CTB) -begrænsede Schwarz D-struktur ved forskellige temperaturer og belastninger. De krediterede den primære form for observeret deformation til twinning og den kritiske stress svarende til begyndende twinning var temperaturafhængig.

Udsigter til Schwarz -krystallen inden for udvikling af materialer

På denne måde, baseret på eksperimenter og MD -simuleringer, X. Y. Li og kolleger bekræftede evnen til at opnå udtalt stabilitet i polykrystallinsk kobber (Cu) med nanoserede korn. De omtalte den observerede struktur som en Schwarz -krystal - en anden type metastabil tilstand for polykrystallinske faste stoffer, som fundamentalt adskilte sig fra de amorfe faste tilstande. Udseendet af Schwarz -krystallen forventes i forskellige metaller og legeringer gennem aktivering af venskabsmekanismer på nanoskalaen. Den rene Cu Schwarz -krystal indeholdt en meget høj densitet af grænseflader og viste termisk stabilitet lige så høj som en enkelt krystal, og meget højere end amorfe faste stoffer.

Strukturen vil give nye muligheder for at udforske fysiske og kemiske fænomener af metaller i forhold til transportdynamik for atomer og elektroner ved grænseflader og under defektinteraktioner ved høje temperaturer inden for materialevidenskab. Schwarz -krystallen tillod forhøjet stabilitet og styrke med korn raffineret i den ekstremt fine skala. Arbejdet vil hjælpe med at overvinde vanskeligheder med traditionelle strategier for materialeudvikling. Schwarz -krystallen skal være tilgængelig i andre materialer, såvel, at give en anden retning til at udvikle stærke og stabile materialer til applikationer ved høj temperatur.

© 2020 Science X Network