3D-modeller af flerlagsstrukturer i teknisk skala fra nanoskala skadeprofiler

Computermodellering af nano-indrykningsundersøgelser udført på ionbestrålede stål har genereret 3-D stressfeltkort i en teknisk skala, der stemmer godt overens med eksperimentelle resultater.

Det undersøgte materiale er udglødet rustfrit stål 316, den mest almindeligt anvendte konstruktionslegering i marine, kemisk, petrokemisk, transportere, fremstilling og atomindustrien.

I undersøgelsen offentliggjort i International Journal of Plasticity, forskere fra ANSTO og University of New South Wales brugte ionbestråling, nano-indrykning og elektronmikroskopi for at få et indblik i forholdet mellem spidsskadedybde og den tilsvarende spidshårdhedsdybde forårsaget af bestråling.

"Det, vi får ud af modellen, er noget, du ikke kan observere eksperimentelt, især på en visuel måde, det er, en tredimensionel spændingstilstand i en flerlagsstruktur som genereret ved ionbestråling, "sagde hovedforfatter Michael Saleh, en ANSTO -materialeforsker, der udvikler simuleringer af avancerede materialer i ekstreme miljøer.

"Der er skabt modeller med et hårdt og blødt lag, men i disse simuleringer kiggede vi på flere lag på en nanometer skala, hvor gradienten var høj, og beregningen af ​​spændinger var kompleks. "

I simuleringerne ved positionen af ​​spidshårdhed, plastbelastningskonturerne udviste en dobbeltskåret plastzoneprofil.

"Dette var intet mindre end en åbenbaring, da plastzonen forventedes at være kontinuerlig sfærisk stress, "sagde medforfatter Dr Dhriti Bhattacharyya, en senior materialeteknisk forsker, der udførte nano-indrykningen og analytiske beregninger.

Efterforskerne fandt også et simpelt lineært forhold mellem hårdhedshøjde og dybde, hvilket har større konsekvenser for lagdelte materialer.

Målet med forskningen var at forstå strålingens indvirkning på de mekaniske egenskaber af bestrålet materiale. Ionbestråling giver en hurtig og ikke-aktiv metode til at opnå høje skadesdoser. Imidlertid, denne bestrålingsprocedure forårsager forskellige mængder atomforskydninger eller skader i materialet i forskellige dybder, skabe et tyndt lag af materiale med en stor gradient i hårdhed (som en række nanometer skala lag med varierende styrke). Undersøgelsen af ​​den mekaniske egenskab ændres gennem tykkelsen af ​​det berørte lag er meget udfordrende. Nano-indrykning giver en relativt let måde at undersøge den modificerede overflade; imidlertid, fortolkningen af ​​resultaterne kompliceres af den lagdelte struktur og 3D-spændingstilstanden omkring indrykket.

Ionbestråling

Glødet rustfrit stål (SS316) blev bestrålet med heliumioner ved 1, 2 og 3 MeV på STAR -acceleratoren, der forårsager atomskader i forskellige dybder.

Medforfatter Prof Mihail Ionescu, Midlertidig leder af atombrændstofcyklussen, overvågede ionbestrålingen på ANSTOs Center for Accelerator Science.

Ionbestråling forårsager forskellige mængder atomforskydninger eller skader i materialet i forskellige dybder, skaber en række lag med forskellig hårdhed.

Bestråling af en målprøve med ioner med høj energi kan forårsage den samme skade, der ville kræve mange år at akkumulere i en atomreaktor. Denne type bestråling gør det lettere at håndtere testprøverne, da de generelt ikke bliver radioaktive.

Nano-indrykning

"Vi foretog nano-indrykning, fordi det kan bruges til at måle de mekaniske egenskaber efter ionbestråling, "sagde Bhattacharyya.

Ionbestråling forårsagede hærdning på lav dybde med målbare og definerede toppe i hårdhed.

Overfladen af ​​bestrålede og ubestrålede prøver var nano-indrykket med en trekantet pyramideformet spids til en dybde på tre mikron.

"Nano-indrykning fremkalder komplekse 3D-tilstande af stress i materialerne, som er yderligere kompliceret i lag med forskellige styrker. Det skaber også et meget stort plastvolumen omkring det, "sagde Bhattacharyya.

Ved hjælp af analytiske metoder, Bhattacharyya var i stand til at forudsige stigningen i hårdhed på forskellige dybder ved tre forskellige energier med rimelig nøjagtighed.

"Ved hjælp af en gennemsnitsmekanisme over plastzonen, det gav en relativt hurtig måde at estimere hårdhedsforøgelsen på grund af en hvilken som helst skade inden for det modellerede område, "sagde Bhattacharyya.

"Imidlertid, spidsskader og spidshårdhed forekommer ikke på samme tidspunkt i materialet, den når maksimal hårdhed før spidsskade, og vi ville forstå årsagen til forskellen, "sagde Bhattacharyya.

"Du kommer meget større hårdhed tættere på overfladen, i kraft af det stressfelt, der bevæger sig foran nano-indrykningsspidsen.

"Når du gennemborer materialet, det mærker allerede de nederste lag, som den ikke har nået.

"Plastzonen er området omkring spidsen, som forårsager plastisk deformation og den hårdhedsværdi, som du fornemmer, er faktisk gennemsnittet af det volumen.

"Men i et lagdelt materiale, den vil begynde at fornemme de hårdere lag under den, før den rent faktisk når dertil. Det når toppen hurtigst. "

Forskellen i profiler ved forskellige energier kan forklares, fordi hårdheden er baseret på gennemsnit over alle lagene, og fordelingen af ​​lag ændrer sig ved forskellige energier.

Computermodellering

"Vi tog nogle neutrondata fra litteraturen, som havde etableret hærdningsordninger med korrelationer mellem forskydninger pr. atom (dpa) og hærdning som udgangspunkt. Med matematisk tilpasning var vi i stand til at foretage en masse forbedringer af modellen, "sagde Saleh.

Generelt, modellerne for lidt forudsiger, men stemmer godt overens med hensyn til styrke og spidsposition. De ligger inden for 10 procent, og generelt, det er meget godt i en flerlagsstruktur. "

I modellerne, plasticitetszonens radius var otte til ni gange dybden af ​​indrykket, ikke tre til fem som var forudsagt andre steder.

"Hvis du kan etablere en pålidelig metode, hvorved du kan analysere, om din komponent vil mislykkes ved simpel nano-indrykning, der ville være en enorm interesse fra industrien, "sagde Saleh.

"Dette giver os et middel til at forudsige forventede hårdhedstoppositioner og værdier for stråledoser. Men det grundlæggende princip bag forsøget vil fungere for alle lagdelte materialer. Materialet behøver ikke engang at blive bestrålet, "sagde Bhattacharyya.

"Når vi kender styrken og andre mekaniske parametre, vi kan arbejde baglæns og beregne skadeprofilen.

Undersøgelsen bringer ikke kun en forståelse af de strålingsinducerede ændringer i overfladeegenskaber af materialer, men en større forståelse af nanoindentionsprocessen i materialer i flere lag generelt.

Modelleringsresultaterne giver oplysninger om mekaniske egenskaber, der er skalerbare til tekniske dimensioner. "

Efterforskerne fortsætter undersøgelser af andre ionbestrålede materialer med flere faser og forskellige krystalstrukturer.