Effettuando prove micromeccaniche su singoli cristalli di nichel, I ricercatori sui materiali ANSTO sono stati in grado di ricavare le proprietà di massa di un materiale policristallino in un modo utile per l'ingegneria.

Le proprietà di trazione vengono solitamente estratte da modelli matematici computazionali o sofisticati a seguito di prove di indentazione o micro-cantilever, quando il volume del materiale disponibile è piccolo, come nel caso dei multistrati a film sottile, materiali irradiati con ioni e rivestimenti superficiali.

In un articolo pubblicato sull'International Journal of Plasticity, i ricercatori guidati dallo scienziato senior dell'ANSTO, il dott. Dhriti Bhattacharyya, hanno riportato i risultati dei test di micro-trazione in situ per valutare gli effetti combinati della velocità di deformazione e dell'orientamento sul comportamento di deformazione nei singoli cristalli di nichel.

"Anche se si sapeva che orientamenti diversi avevano punti di forza diversi, volevamo determinare il comportamento sollecitazione/deformazione tirando lungo una direzione o nell'altra del cristallo e se la velocità di deformazione, o tasso di deformazione, ha avuto effetti diversi in direzioni diverse, " disse Bhattacharyya.

La sensibilità alla velocità di deformazione è un fenomeno ben noto nei test macroscopici ma non è ben compreso a livello microscopico, " Egli ha detto.

Oltre a contribuire a una comprensione fondamentale della deformazione meccanica su scala microscopica, il potenziale risparmio sui costi dell'estrapolazione delle proprietà macro utilizzando campioni di dimensioni micron è significativo rispetto a campioni standard di dimensioni millimetriche, che a volte sono impossibili da ottenere nel caso di film sottili e materiali modificati in superficie.

"Abbiamo scelto la prova di trazione perché, per quasi tutti i materiali vuoi sapere come si comporta il materiale sotto tensione, " disse Bhattacharyya.

Hanno scoperto che tirare lungo orientamenti specifici del cristallo fa la differenza per la forza finale, duttilità e il modo in cui il cristallo si è deformato.

Nei materiali policristallini, perché ogni grano ha un orientamento diverso, una sorta di media viene utilizzata per determinare le proprietà del grano

In questi esperimenti, l'effetto della velocità di deformazione e l'orientamento dei cristalli sono stati misurati in 10 campioni con dimensioni di 12 micron.

Il Dr. Alan Xu ha prelevato i campioni utilizzando una macchina di prova micromeccanica all'avanguardia lungo una direzione perpendicolare alla faccia cubica della cella unitaria del cristallo (100) e lungo la diagonale della faccia della cella unitaria (110) e ha misurato il risposta.

Gli orientamenti sono stati scelti a causa dell'aspettativa di più slip su diversi numeri di sistemi slip.

"Abbiamo riscontrato comportamenti diversi sia in termini di spostamento, come si deforma la forma, ma anche in termini di curva sforzo/deformazione, " disse Xu.

L'allungamento dei campioni [110] (come illustrato sopra nel video) era quasi il doppio di quello dei campioni [100].

La curva sollecitazione/deformazione ha rivelato che il campione orientato [110] mostrava un picco di sollecitazione iniziale, seguito da ammorbidimento, una valle a fondo piatto, un indurimento secondario e un picco e infine un rammollimento e un cedimento.

"In questo campione, lo scivolamento avviene come il ventaglio di una pila di carte, " disse Bhattacharyya.

Si ritiene che il doppio picco in una curva sollecitazione/deformazione sia un fenomeno unico.

I ricercatori hanno attribuito questo a uno slittamento iniziale di una serie di passaggi di scorrimento paralleli lungo l'intera lunghezza del calibro. Però, una volta che lo stress di flusso è stato aumentato a causa dell'incrudimento su questo piano, accompagnato da una rotazione del cristallo, è stato attivato un secondo sistema di scorrimento su un piano diverso.

Il campione orientato [100] scivola inizialmente su almeno due piani diversi (come illustrato nel video sopra); seguito da quattro possibili sistemi di scorrimento. Progressivamente più gradini di scorrimento formati su più piani di scorrimento attorno alla regione con il collo per adattarsi allo stress e il campione si è fratturato in modo simile al bordo di un coltello.

La diffrazione a retrodiffusione del fascio di elettroni è stata utilizzata per identificare l'orientamento dei cristalli.

"La misura in cui i cristalli deviano dal loro orientamento originale è un indicatore di quanto il cristallo stesso è ruotato, " disse Xu.

"Tirare lungo entrambi gli orientamenti ha mostrato che la duttilità è aumentata del doppio lungo la diagonale della faccia, che è stato interessante, " disse Bhattacharyya.

Lo sforzo di taglio critico risolto (CRSS), questo è, lo sforzo di taglio minimo richiesto per la deformazione plastica lungo un certo piano, è stato calcolato dallo stress di snervamento dei campioni di cristallo singolo orientati [100] e [110] per essere rispettivamente di ~73 MPa e ~63 MPa.

Si pensava che la leggera deviazione di questi valori dai valori CRSS per il nichel fosse attribuibile a effetti dovuti alla differenza di dimensioni e densità di dislocazione iniziale. La densità di dislocazione si riferisce al numero di dislocazioni in un volume unitario di un materiale cristallino.

"È importante che la sensibilità alla velocità di deformazione calcolata è risultata essere dello stesso ordine di grandezza dei campioni macroscopici di nichel, " disse Bhattacharyya.

Il ricercatore sui materiali ANSTO Michael Saleh ha utilizzato la teoria di Taylor della plasticità dei policristalli e la teoria di Hall-Petch del rafforzamento dei bordi di grano con i dati di deformazione da sforzo del flusso dai campioni sperimentali di cristallo singolo al fine di ottenere sensibilità di deformazione da sforzo approssimata per i policristalli.

"C'era un ragionevole accordo tra la curva di flusso prevista e la curva sperimentale, " disse Saleh, che è un esperto di modellazione al computer.

"Se volessimo ottenere lo stress del flusso per una granulometria di 100 micron, possiamo farlo attraverso questo tipo di modellazione usando la teoria della plasticità, perché la risposta su microscala dei singoli cristalli integra la risposta su macroscala".

La prossima fase della ricerca riguarderà la sperimentazione di materiali irradiati con ioni in condizioni di prova simili.