Nanotwins, der er adskilt fra hinanden, skaber stærkere metaller

Forskere fra Brown University og Institute of Metals Research ved det kinesiske videnskabsakademi har fundet en ny måde at bruge nanotwins - små lineære grænser i et metals atomgitter, der har identiske krystallinske strukturer på hver side - til at lave stærkere metaller.

I et papir i journalen Videnskab , forskerne viser, at varierende afstand mellem tvillingegrænser, i modsætning til at opretholde konsekvent afstand hele vejen igennem, producerer dramatiske forbedringer i et metals styrke og hastighed ved hærdning af arbejdet - i hvilket omfang et metal styrkes, når det deformeres.

Huajian Gao, en professor på Brown's School of Engineering, der var med til at lede arbejdet, siger, at forskningen kan pege mod nye fremstillingsteknikker til højtydende materialer.

"Dette arbejde omhandler det, der er kendt som et gradientmateriale, hvilket betyder et materiale, hvor der er en gradvis variation i dets indre makeup, "Gao sagde." Gradientmaterialer er et varmt forskningsområde, fordi de ofte har ønskelige egenskaber sammenlignet med homogene materialer. I dette tilfælde, vi ville se, om en gradient i nanotwin -afstand gav nye egenskaber. "

Gao og hans kolleger har allerede vist, at nanotwins selv kan forbedre materialets ydeevne. Nanotvundet kobber, for eksempel, har vist sig at være betydeligt stærkere end standard kobber, med en usædvanlig høj modstandsdygtighed over for træthed. Men dette er den første undersøgelse, der testede virkningerne af variabel nanotwin -afstand.

Gao og hans kolleger skabte kobberprøver ved hjælp af fire forskellige komponenter, hver med forskellige nanotwin -grænseafstand. Afstande fra 29 nanometer mellem grænser til 72 nanometer. Kobberprøverne bestod af forskellige kombinationer af de fire komponenter arrangeret i forskellige ordrer på tværs af prøvens tykkelse. Forskerne testede derefter styrken af ​​hver sammensat prøve, samt styrken af ​​hver af de fire komponenter.

Testene viste, at alle kompositterne var stærkere end gennemsnitsstyrken for de fire komponenter, hvorfra de blev fremstillet. Bemærkelsesværdigt, et af kompositterne var faktisk stærkere end det stærkeste af dets bestanddele.

"For at give en analogi, vi tænker på en kæde som værende kun så stærk som dens svageste led, "Sagde Gao." Men her, vi har en situation, hvor vores kæde faktisk er stærkere end dens stærkeste led, hvilket virkelig er fantastisk. "

Andre tests viste, at kompositterne også havde en større hærdehastighed end gennemsnittet af deres bestanddele.

For at forstå mekanismen bag disse stigninger i ydeevne, forskerne brugte computersimuleringer af deres prøves atomstruktur under belastning. På atomniveau, metaller reagerer på belastning gennem bevægelsen af ​​dislokationer - linjefejl i den krystallinske struktur, hvor atomer skubbes ud af stedet. Den måde, hvorpå disse forskydninger vokser og interagerer med hinanden, er det, der bestemmer et metals styrke.

Simuleringerne afslørede, at densiteten af ​​dislokationer er meget højere i gradientkobber end i et normalt metal.

"Vi fandt en unik form for forskydning, vi kalder bundter af koncentrerede dislokationer, som fører til dislokationer i en størrelsesorden tættere end normalt, "Gao sagde." Denne form for forskydning forekommer ikke i andre materialer, og derfor er denne gradientkobber så stærk. "

Gao sagde, at mens forskergruppen brugte kobber til denne undersøgelse, nanotwins kan også produceres i andre metaller. Så det er muligt, at nanotwin -gradienter kan forbedre egenskaberne af andre metaller.

"Vi håber, at disse fund vil motivere folk til at eksperimentere med to gradienter i andre typer materialer, "Sagde Gao.