Extreem sterk nano-twinned puur nikkel met extreem fijne twin-dikte

Typische microstructuur van gedeponeerd NT-Ni met een extreem fijne dubbele dikte. (A) driedimensionale structuur van NT-Ni samengesteld uit bovenaanzicht en transversale helderveld TEM-afbeeldingen. (B) dubbele dikte en (C) kolombreedteverdelingen gemeten op basis van TEM- en HRTEM-afbeeldingen van het gedeponeerde NT-2,9-exemplaar. (D) Hoger vergroot dwarsdoorsnede TEM-beeld van het NT-2.9-exemplaar. (E) HRTEM-beeld genomen langs de [011] zone as. De inzet in (E) toont het corresponderende elektronendiffractiepatroon van het geselecteerde gebied. (F) XRD-patroon met de dominante (111) oriëntatie die aanwezig is in het NT-2.9-exemplaar. au, willekeurige eenheden. Credit: wetenschappelijke vooruitgang, doi: 10.1126/sciadv.abg5113

In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang, hebben Fenghui Duan en een onderzoeksteam in China gedetailleerde continue versterking in nanotwinned pure nikkelmaterialen beschreven. Het materiaal registreerde een ongekende sterkte van 4,0 GPa bij extreem fijne dubbele dikte, 12 keer sterker dan die van conventioneel grofkorrelig nikkel. Theorieën suggereren verschillende mechanismen om nanokorrelige metalen te verzachten. Continue versterking kan optreden in nanotwinned metalen met extreem fijne dubbele dikte om ultrahoge sterkte te realiseren. Het is een uitdaging om deze hypothese experimenteel te verifiëren terwijl de synthese van nanotwinned metalen met een dikte van minder dan 10 nm wordt gereguleerd. In dit werk ontwikkelde het team zuilvormig korrelig nanotwinned nikkel met dubbele dikte variërend van 2,9 tot 81 nm, met behulp van gelijkstroom-elektrodepositie om het proces van continue versterking te laten zien. Duan et al. gebruikte transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om de kenmerken van versterking te onthullen en de resultaten toe te schrijven aan de fijn verdeelde architectuur van het materiaal.

Microstructuur van het ontwikkelde nanotwinned nikkel

De bulk-nikkelspecimens behielden een hoge zuiverheid en bevatten een hoge dichtheid van dubbele lamellen op nanoschaal ingebed met kolomvormige korrels op nanoschaal, gesynthetiseerd met behulp van gelijkstroom-elektrodepositie in een citraatbad. Het team regelde de nikkel- en citraat-ionengehaltes in de elektrolyt om de gemiddelde tweelingdikte te verfijnen. Het materiaal vertoonde een smalle verdeling van 0,5 tot 15 mm. De onderzoekers gebruikten vergrote microfoto’s om details van de materialen en het gebruik te observeren Röntgendiffractiepatronen, merkten ze een kristallografische textuur buiten het vlak op, consistent met de resultaten van de transmissie-elektronenmicroscopie.

Mechanismen van materiaalontwikkeling en versterking.

De wetenschappers gebruikten vervolgens elektrodepositie als een niet-evenwichtsproces voor de wijdverbreide vorming van puur nikkel. De stress-relaxte nanotwinned metalen waren energetisch stabieler dan de sterk gestresste afzettingen. De lagere concentratieverhouding van citraat en nikkelionen resulteerde in hogere interne trekspanningen. Het team ook waterstof toegevoegd tweelingkiemvorming te bevorderen. Om de mechanische eigenschappen van het materiaal te begrijpen, voerden ze uniaxiale compressietests uit op micropilaren met een diameter van 1,3 micron. De spanning-rekcurves gaven aan dat het materiaal met een kleinere dubbele dikte sterker was, wat aantoont dat het versterkende gedrag nog steeds functioneel is, zelfs met een verfijnde dubbele dikte.

De evolutie van de microstructuur en versterkingsmechanismen.

Om de mechanismen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor continue versterking, hebben Duan et al. karakteriseerde de microstructuur van het materiaal. Om dit te bereiken, gebruikten ze een plastische spanning van drie procent op het materiaalgebied en merkten ze de consistent hoge dichtheid van de nanotwins op ondanks vervorming, vergelijkbaar met de structuur voorafgaand aan het induceren van plastische spanning. Dit duidde op een hoge stabiliteit van nanotwins in het materiaal, een kenmerk dat voortkwam uit onderdrukte activiteit van gedeeltelijke twinning-dislocaties. De hoge stapelingsenergie van het materiaal speelde daarom een ​​belangrijke rol bij het belemmeren van het onttwinningsproces van het materiaal. Duan et al. bestudeerde de interacties verder met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie en bevestigde de versterkende mechanismen van het nanotwinned nikkelmateriaal, evenals de secundaire nanotweelingen inherent aan het materiaal, waardoor het extra stevigheid kreeg.

Secundaire nanotwin-vorming in vervormd NT-2.9-monster. (A) HRTEM-afbeelding van vak R2 in Fig. 4A met secundaire nanotwins (gemarkeerd door gele pijlen) die de initiële TB’s kruisen die tijdens vervorming in de NT-Ni-kolomvormige korrels zijn gevormd. (B en C) Hogere vergrote HRTEM-afbeeldingen van vakken B en C in (A) die respectievelijk de nucleatie en beëindiging van secundaire nanotwins weergeven. (D) Overeenkomstige GPA-stamkaart (in-plane rigid-body rotatie, ωxy) voor HRTEM-afbeelding (C). Credit: wetenschappelijke vooruitgang, doi: 10.1126/sciadv.abg5113

Vooruitzichten in materiaalchemie

Op deze manier lieten Fenghui Duan en collega’s zien hoe secundaire nano-tweelingen of hiërarchische nano-tweelingen kunnen worden gevormd in metalen of legeringen. Onderzoekers hadden eerder kiemvorming en groei van secundaire tweelingen ontwikkeld en de kritische vloeigrens voor tweelingkiemvorming in het monster berekend. Op basis van het model vonden ze het bestaan ​​van een overgang in het versterkingsmechanisme van nanotwinned nikkel bij een extreem fijne tweelingdikte. Het team liet zien hoe het nanotwinned nikkel bereikt via gelijkstroom-elektrodepositie met zijn extreem fijne dubbele dikte, een sterkte vertoonde die groter was dan die van puur nikkel, afgeleid van het continu versterken van de dubbele dikte.