Gendriver en 70-årig tilgang til forudsigelse af materialemikrostruktur

En 70-årig model, der bruges til at forudsige mikrostrukturen af ​​materialer, fungerer ikke for nutidens materialer, siger forskere fra Carnegie Mellon University i Videnskab . En mikroskopiteknik, der er udviklet af Carnegie Mellon og Argonne National Laboratory, giver beviser, der modsiger den konventionelle model og peger vejen mod brugen af ​​nye typer karakteriseringer til at forudsige egenskaber-og derfor sikkerhed og langvarig holdbarhed-af nye materialer.

Hvis en metallurg opdagede en legering, der drastisk kunne forbedre et flys ydeevne, det kan tage op til tyve år, før en passager kan stige om bord på et fly, der er lavet af den legering. Uden nogen måde at forudsige, hvordan et materiale vil ændre sig, når det udsættes for stressorer ved behandling eller daglig brug, forskere bruger trial and error til at fastslå et materiales sikkerhed og holdbarhed. Denne langvarige proces er en væsentlig flaskehals for materialerinnovation.

Professorerne Gregory Rohrer og Robert Suter fra Carnegie Mellon Universitets Institut for Materialevidenskab og Teknik og Fysisk Institut har afdækket nye oplysninger, der vil hjælpe materialeforskere med at forudsige, hvordan materialernes egenskaber ændrer sig som reaktion på stressfaktorer såsom forhøjede temperaturer. Brug af nærfelt høj energidiffraktionsmikroskopi (HEDM), de fandt ud af, at den etablerede model til forudsigelse af et materiales mikrostruktur og egenskaber ikke gælder for polykrystallinske materialer, og en ny model er nødvendig.

For øjet, mest anvendte metaller, legeringer og keramik, der bruges i industri- og forbrugerudstyr og produkter, synes at være ensartede. Men på det mikroskopiske niveau, de er polykrystallinske, består af aggregater af korn, der har forskellig størrelse, former og krystalorienteringer. Kornene er bundet sammen af ​​et netværk af korngrænser, der skifter, når de udsættes for stressfaktorer, ændring af materialets egenskaber.

Når de laver et nyt materiale, forskere skal kontrollere dens mikrostruktur, som omfatter dets korngrænser. Materialeforskere manipulerer tætheden af ​​korngrænser for at imødekomme forskellige behov. For eksempel, strukturen omkring passagerkabinen i en bil er lavet af et ultrahøjstyrket stål, der indeholder flere korngrænser end de æstetiske karrosseridele i bilens front-crumple zone.

I de sidste 70 år har forskere har forudsagt materialers adfærd ved hjælp af en teori, der siger, at den hastighed, hvormed korngrænserne bevæger sig gennem et opvarmet materiale, er korreleret med grænsens form. Rohrer og Suter har vist, at denne teori, formuleret til at beskrive den mest ideelle sag, gælder ikke i ægte polykrystaller.

Polykrystaller er mere komplicerede end de ideelle tilfælde tidligere undersøgt. Rohrer forklarede, "Hvis man betragter en enkelt korngrænse i en krystal, den kan bevæge sig uden afbrydelse, som en bil, der kører ad en tom vejbane. I polykrystaller er hver korngrænse forbundet med, gennemsnitlig, ti andre, så det er sådan, at bilen ramte trafikken - den kan ikke bevæge sig så frit mere. Derfor, denne model holder ikke længere. "Oven i det, Rohrer og Suter fandt ud af, at polykrystalkorngrænser ofte ikke engang bevægede sig i den retning, som modellen ville have forudsagt.

HEDM, en teknik, der blev banebrydende af Suter og kolleger ved hjælp af Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS), var nøglen til disse opdagelser. HEDM og de tilhørende teknikker gør det muligt for forskere at ikke-destruktivt billede tusindvis af krystaller og måle deres orienteringer inden for uigennemsigtige metaller og keramik. Teknikken kræver høj energi røntgenstråler, der kun er tilgængelige på en af ​​få synkrotronkilder rundt om i verden.

"Det er som at have 3D røntgenbillede, "sagde Suter." Før, du kunne ikke se på et materiales korn uden at skære det ad. HEDM giver os mulighed for ikke -invasivt at se kornet orienteringer og grænser, som de udvikler sig over tid. "

Udviklingen af ​​HEDM begyndte for omkring 20 år siden og fortsætter den dag i dag. Suters gruppe arbejdede sammen med forskere på APS for at udvikle procedurer for synkroniseret samling af tusindvis af billeder af røntgendiffraktionsmønstre fra en materialeprøve, da den undergår præcisionsrotation i en intens indfaldende stråle. Højtydende computerkoder udviklet af Suters forskningsgruppe konverterer billedsættene til tredimensionelle kort over de krystallinske korn, der udgør materialets mikrostruktur.

Ti år siden, Suters gruppe (herunder fysikstuderende Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, og Jon Lind) målte gentagne gange en nikkelprøve efter successive behandlinger ved høj temperatur, hvilket resulterede i de første observationer af individuelle korngrænsbevægelser. Disse bevægelser viste ikke den systematiske adfærd, som den 70-årige teori forudsagde. Synspunktet udviklet af Carnegie Mellon -forskerne i Science -papiret korrelerer korngrænsestrukturen med systematisk adfærd observeret i HEDM -eksperimentelle data.

Mens den nuværende analyse er baseret på et enkelt materiale, nikkel, Røntgendiffraktionsmikroskopi bruges på mange materialer, og Rohrer og Suter mener, at mange af disse materialer vil vise lignende adfærd som den, der ses i nikkel. Lignende anvendelser til andre materialeforarbejdningsbetingelser undersøges også.

Denne forskning blev finansieret af National Science Foundation's Design Materials to Revolutionize and Engineer the Future -programmet (DRMEF). Teamets fireårige tilskud blev fornyet til $ 1,8 millioner dollars med virkning fra 1. oktober, 2021. Carnegie Mellons Kaushik Dayal, Institut for Civil- og Miljøteknik, Elizabeth Holm, Institut for Materialevidenskab og Teknik, og David Kinderlehrer, Institut for Matematiske Videnskaber vil også blive involveret i de næste trin i forskningen, der studerer, hvordan og hvorfor polykrystaller opfører sig på denne måde i forskellige materialer. Professorer Carl Krill (Universitetet i Ulm, Tyskland) og Amanda Krause (University of Florida) er også en del af samarbejdet.