Det værdifulde bidrag fra stress til den termiske stabilitet af nanokornede polykrystallinske legeringer

Nanokornede metaller og legeringer, hvis kornstørrelse er mindre end 100 nm, udviser ekstrem høj styrke og høj duktilitet, har fremragende mekaniske egenskaber. Nanokornede materialer, imidlertid, har et stort antal korngrænser og dermed høj total korngrænseenergi. Ved en temperatur højere end en kritisk temperatur, korn i nanokornede materialer vil vokse spontant for at reducere korngrænseenergien, fører til termisk ustabilitet af materialerne. En almindelig tilgang til at forbedre termisk stabilitet er via korngrænseenergiadskillelse, som termodynamisk sænker korngrænseenergien og kinetisk fastholder bevægelsen af ​​korngrænser, hvorved den kritiske temperatur ved omkrystallisation øges. Imidlertid, Rollen af ​​mekaniske spændinger i den termiske stabilitet er endnu ikke systematisk undersøgt.

Et nyligt offentliggjort papir med titlen "Korngrænsesegregation og afslapning i nanokornede polykrystallinske legeringer, "ind SCIENCE KINA Fysik, Mekanik og astronomi , systematisk studerer den termiske stabilitet af nanokornede legeringer, ved analytisk undersøgelse af tre koblede adfærdsmønstre mellem korngrænser og krystallinske korn blandt kemiske koncentrationer og mekaniske spændinger. De tre koblede adfærd er 1) koblingen mellem korngrænsespænding og kornspænding, 2) korngrænseadskillelse, og 3) koblingen mellem koncentration og stress. Endelig, et nyt termodynamisk kriterium er udviklet for den termiske stabilitet af nanokornede legeringer, hvilket viser, at stress spiller en ekstrem rolle der. Forfatterne til papiret er Zhang Tong-Yi, Gao Yingxin og Sun Sheng fra Materials Genome Institute, Shanghai Universitet.

Den termodynamiske energi er opdelt i den mekaniske energi og den kemiske energi, og begge er koblet sammen. Analysen af ​​mekanisk energi tager hensyn til korngrænseegenspændingen og egenbelastningen induceret af korngrænsesegregation og udvikler en hybridmetode til at løse egenstress- og egenbelastningskoblingsproblemet. Den kemiske termodynamiske analyse overvejer forskellen i de kemiske potentialer af rene grundstoffer i korngrænser og i korn, og foreslår derfor en generaliseret McLean adsorptionsisoterm, som naturligvis omfatter stressbegrebet. Baseret på de tre sammenhængende koblingseffekter, et nyt kriterium er udviklet for den termiske stabilitet af nanokornede legeringer, og kvantitativt og analytisk udtrykt ved forskellen i molær fri energi mellem en nanokornet polykrystallinsk legering og dens enkeltkrystalmodstykke. En positiv eller negativ forskel i molær fri energi indikerer, at den nanokornede legering er termisk ustabil eller stabil.

Ni1-xMox binære legeringer tages som et eksempel for at illustrere, med figurer, de teoretiske resultater og rollerne for hver parametre involveret i det analytiske kriterium. Nærværende undersøgelse viser, at spændinger spiller en afgørende rolle i den termiske stabilitet af nanokornede legeringer. Ethvert kriterium uden hensyntagen til interne spændinger ville delvist estimere den termiske stabilitet af nanokornede legeringer.