Tipica microstruttura di NT-Ni come depositato con uno spessore gemello estremamente fine. (A) Struttura tridimensionale di NT-Ni composta da immagini TEM in campo chiaro in pianta e in sezione trasversale. (B) Spessore gemello e (C) distribuzioni della larghezza della colonna misurate da immagini TEM e HRTEM del campione NT-2.9 depositato. (D) Immagine TEM della sezione trasversale ingrandita più alta del campione NT-2.9. (E) Immagine HRTEM presa lungo l'asse della zona [011]. Il riquadro in (E) mostra il modello di diffrazione elettronica dell'area selezionata corrispondente. (F) Modello XRD che mostra l'orientamento dominante (111) presente nel campione NT-2.9. a.u., unità arbitrarie. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abg5113
In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Fenghui Duan e un team di ricerca in Cina hanno dettagliato il rafforzamento continuo dei materiali di nichel puro nanotwined. Il materiale ha registrato una resistenza senza precedenti di 4.0 GPa a doppio spessore estremamente fine, 12 volte più resistente di quello del nichel a grana grossa convenzionale. Le teorie suggeriscono diversi meccanismi di ammorbidimento dei metalli a nanograna. Il rafforzamento continuo può verificarsi in metalli nanotwinned con doppio spessore estremamente fine per realizzare una resistenza ultraelevata. È difficile verificare sperimentalmente questa ipotesi mentre si regola la sintesi di metalli nanotwinned con uno spessore inferiore a 10 nm. In questo lavoro, il team ha sviluppato nichel nanotwinned a grana colonnare con doppio spessore che va da 2,9 a 81 nm, utilizzando l'elettrodeposizione in corrente continua per mostrare il processo di rafforzamento continuo. Duan et al. ha utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per rivelare gli attributi del rafforzamento e ha attribuito i risultati all'architettura a spaziatura fine del materiale.
Microstruttura del nichel nanotwinnato sviluppato
I campioni di nichel sfusi hanno mantenuto un'elevata purezza e contenevano un'alta densità di lamelle gemelle su scala nanometrica incorporate con grani colonnari su scala nanometrica sintetizzati mediante elettrodeposizione a corrente continua in un bagno di citrato. Il team ha regolato il contenuto di ioni nichel e citrato nell'elettrolita per affinare lo spessore medio del gemello. Il materiale ha mostrato una distribuzione stretta che va da 0,5 a 15 mm. I ricercatori hanno utilizzato micrografie ingrandite per osservare i dettagli dei materiali e utilizzando modelli di diffrazione dei raggi X, hanno notato una trama cristallografica fuori piano, coerente con i risultati della microscopia elettronica a trasmissione.
Meccanismi di sviluppo e rafforzamento dei materiali.
Gli scienziati hanno quindi utilizzato l'elettrodeposizione come processo di non equilibrio per la formazione diffusa di nichel puro. I metalli nanotwinned rilassati dallo stress erano energeticamente più stabili dei depositi altamente stressati. Il rapporto di concentrazione più basso di citrato e ione nichel ha comportato una maggiore sollecitazione di trazione interna. Il team ha anche aggiunto idrogeno per promuovere la nucleazione gemellare. Per comprendere le proprietà meccaniche del materiale, hanno condotto prove di compressione uniassiale su micropilastri con un diametro di 1,3 micron in scala. Le curve sforzo-deformazione indicavano che il materiale con uno spessore gemello più piccolo era più resistente, dimostrando che il comportamento di rinforzo è ancora funzionale anche con un raffinato doppio spessore.
Proprietà meccaniche dei pilastri NT-Ni. Curve tensione-deformazione uniassiali reali per pilastri che mostrano che la sollecitazione del flusso al 2% di deformazione plastica nei campioni NT-2.9 e NT-6.4 è 4.0 e 2.9 GPa, rispettivamente. Per confronto sono presentate anche le vere curve sforzo-deformazione per NG- e CG-Ni da (22). Il quadrato rosso, cerchio arancione, e i triangoli blu e neri indicano le sollecitazioni del flusso al 2% di deformazione plastica per i quattro campioni. L'inserto mostra uno schema del test di compressione che è stato eseguito su campioni NT-Ni di 1,3 μm di diametro. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Continuo rafforzamento in NT-Ni. Variazione del carico di snervamento con granulometria media o doppio spessore per NT-Ni microlegato Ni e Mo (1,3 at. %), insieme ai dati di letteratura ottenuti direttamente da prove di trazione e compressione per Ni elettrodepositato (ED), Ni pilastri, ED NT-Ni (22, 24-33, 53, 54), e NT-Cu (2). Si osserva un comportamento di rinforzo continuo che si estende fino allo spessore doppio di 2,9 e 1,9 nm nei campioni di NT-Ni depositati e Mo-microlegati di NT-Ni, rispettivamente. Al contrario, comportamento addolcente, cioè., carico di snervamento decrescente al diminuire della granulometria o dello spessore doppio, si osserva nell'NT-Cu depositato quando lo spessore medio dei gemelli è inferiore a 10-15 nm. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Meccanismi di deformazione in NT-Ni con λ =2,9 nm. (A) Immagine in campo chiaro post mortem, che mostra la banda di taglio e i grani colonnari nel campione. L'inserto mostra la morfologia del pilastro dopo compressione uniassiale a ~3% di deformazione plastica. (B) Un'immagine TEM ingrandita più in alto dalla casella R1 in (A) che mostra la struttura nanotwin conservata nelle regioni deformate. (C) Una tipica immagine HRTEM e (D) la sua corrispondente mappa di deformazione GPA (rotazione del corpo rigido nel piano, ωxy) nella regione deformata, mostrando che una dislocazione parziale è scivolata con una direzione inclinata ai piani gemelli, lasciando dietro di sé un errore di impilamento. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abg5113
L'evoluzione della microstruttura ei meccanismi di rafforzamento.
Per comprendere i meccanismi responsabili del rafforzamento continuo, Duan et al. caratterizzato la microstruttura del materiale. Per realizzare questo, hanno usato una deformazione plastica del tre percento sulla regione del materiale e hanno notato la densità costantemente elevata dei nanogemelli nonostante la deformazione, simile alla sua struttura prima di indurre la deformazione plastica. Ciò indicava un'elevata stabilità dei nanogemelli nel materiale, una caratteristica che derivava dall'attività soppressa delle dislocazioni parziali gemellari. L'elevata energia di impilamento del materiale ha quindi svolto un ruolo importante nell'ostacolare il processo di disaccoppiamento del materiale. Duan et al. ha studiato ulteriormente le interazioni utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione e ha confermato i meccanismi di rafforzamento del materiale di nichel nanotwinned, così come i nanogemelli secondari inerenti al materiale, che gli forniva ulteriore forza.
Formazione di nanogemelli secondari in campioni di NT-2.9 deformati. (A) Immagine HRTEM dal riquadro R2 in Fig. 4A che mostra nanogemelli secondari (contrassegnati da frecce gialle) che attraversano i TB iniziali formati all'interno dei grani colonnari NT-Ni durante la deformazione. (B e C) Immagini HRTEM con ingrandimento maggiore dai riquadri B e C in (A) che mostrano la nucleazione e la terminazione dei nanogemelli secondari, rispettivamente. (D) Mappa di deformazione GPA corrispondente (rotazione del corpo rigido nel piano, ωxy) per l'immagine HRTEM (C). Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Prospettive nella chimica dei materiali
In questo modo, Fenghui Duan e colleghi hanno mostrato come si possono formare nanogemelli secondari o nanogemelli gerarchici in metalli o leghe. I ricercatori avevano precedentemente sviluppato la nucleazione e la crescita di gemelli secondari e calcolato il carico di snervamento critico per la nucleazione dei gemelli nel campione. In base al modello, hanno scoperto l'esistenza di una transizione nel meccanismo di rafforzamento del nichel nanogeminato a uno spessore del gemello estremamente sottile. Il team ha mostrato come il nichel nanotwinnato è stato ottenuto tramite elettrodeposizione a corrente continua con il suo spessore gemello estremamente fine, ha mostrato una forza maggiore di quelle del nichel puro, derivato dal rafforzamento continuo del doppio spessore.
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