Hvordan strukturelle fejl dikterer brudstyrke og deformation i legeringer i nanostørrelse med super-elastiske egenskaber

En undersøgelse fra A*STAR afslører, at designere af metallisk-glas-baserede nanoenheder skal tage højde for små fejl i legeringsrammerne for at undgå uforudsigelige katastrofale fejl. At forstå, hvordan metallisk glas i nanoskala brækker og fejler, når det udsættes for ekstern belastning, er afgørende for at forbedre dets pålidelighed i enheder og kompositter.

For nylig, forskere har fundet beviser for, at kunstige fejl - små hak skåret ind i legeringen - ikke påvirker materialets samlede trækstyrke. Men andet arbejde har vist, at sådanne hak faktisk kan inducere dannelsen af ​​lokale revner.

Mehdi Jafary-Zadeh og kolleger fra A*STAR Institute of High Performance Computing, i samarbejde med forskere i USA, brugt en kombination af fysiske eksperimenter og beregningssimuleringer til at studere fejltolerance i nanoskala med dybdegående præcision. Først, forskerne fremstillede nikkel-fosfor metallisk glas til smalle 'nanopiller' med bittesmå indhak og svampeformede endestykker, der fungerede som spændingsgreb (se billede). Vejledt af højopløsnings scanningselektronmikroskopi, de trak systematisk strukturerne fra hinanden, indtil de revnede - en handling, der konsekvent fandt sted i den indhakkede zone, og ved svigt styrker 40 procent lavere end for ulovlige nanopiller.

Holdet vendte sig derefter til massive simuleringer af molekylær dynamik for at forklare disse fysiske resultater. "Simulering af fejltilstande i de metalliske nanopillarglas krævede stor skala, tredimensionelle modeller, der indeholder millioner af atomer, "siger Jafary-Zadeh." At udføre simuleringer på disse skalaer er ret skræmmende, men vi overvandt denne udfordring ved hjælp af A*STAR Computational Resource Centre."

Da forskerne modellerede atomar belastning under nanopillar forlængelse, de fandt ud af, at strukturerne uden indhak svigtede via en plastisk form for deformation kendt som forskydningsbånd. Imidlertid, de hakkede strukturer var sprøde og mislykkedes gennem revnedannelse fra fejlpunktet ved trækstyrker, der var væsentligt mindre end de ikke-hakkede prøver (se video). Disse observationer tyder på, at 'fejlufølsomhed' muligvis ikke er et generelt træk ved mekaniske systemer på nanoskala.

"Teorien om fejlufølsomhed postulerer, at styrken af ​​materialer, der i sig selv er sprøde eller har begrænsede plastiske deformationstilstande, nærmer sig en teoretisk grænse på nanoskala, og formindskes ikke på grund af strukturelle fejl, "forklarer Jafary-Zadeh." Dog, vores resultater viser, at svigtstyrke og deformation i amorfe nanosolider afhænger kritisk af tilstedeværelsen af ​​fejl."

Jafary-Zadeh bemærker, at den fremragende overensstemmelse mellem eksperimentelle resultater og simuleringerne er spændende og demonstrerer, hvordan sådanne beregninger kan bygge bro over videngabet mellem makroskopisk mekanisk brud og de skjulte tilsvarende mekanismer, der finder sted på atomistiske tids- og længdeskalaer.