(a) Configuratie van een voorbeeld van een 2D-vast lichaam. (b) σy(l) bij verschillende D. (c) Contourgrafiek van de σy in 2D Dl-parameterruimte. De zwarte stippellijn geeft de maximale sterktes aan bij verschillende D. (d) Verplaatsingsveld van deeltjes onder compressie. Credits: Science China Press
De meeste kristallijne materialen zijn polykristallen, zoals metalen. Ze zijn samengesteld uit vele kleine kristallijne korrels met verschillende roosteroriëntaties. Het grensvlak tussen twee kristallijne korrels, dwz de korrelgrens, is een dunne laag ongeordende deeltjes van ongeveer een of twee deeltjes dik.
De polykristalsterkte neemt toe naarmate de gemiddelde korrelgrootte afneemt, bekend als het beroemde Hall-Petch-gedrag. Deze trend keert om wanneer de gemiddelde korreldiameter onder een kritische waarde van 10-15 nanometer (ongeveer 50 atomen) ligt, dwz het omgekeerde Hall-Petch-gedrag. Deze trends gelden voor verschillende polykristallen die zijn samengesteld uit verschillende atomen en moleculen.
Hoe de sterkte varieert met de dikte van de ongeordende korrelgrens is echter zelden gevraagd en slecht begrepen, waarschijnlijk omdat polykristallen met dikke korrelgrenzen niet gemakkelijk te fabriceren en te controleren zijn. Hoewel deze basisvraag relatief eenvoudig kan worden onderzocht door computersimulatie, ontbreekt nog steeds gerelateerd onderzoek.
De afgelopen jaren hebben doorbraken in de fabricage van kristallijn-amorfe composietmaterialen geleid tot vaste stoffen met verschillende uitstekende eigenschappen, zoals legeringen met ultrahoge sterkte. Deze vaste stoffen kunnen worden beschouwd als polykristallen met dikke ongeordende korrelgrenzen, maar de korrelgrensdikte kan niet goed worden gecontroleerd en de invloed ervan op de materiaalsterkte blijft onduidelijk. Bovendien moet nog worden onderzocht hoe de korrelgrootte en korrelgrensdikte kunnen worden aangepast om de sterkte van het materiaal te maximaliseren.
Onlangs zijn deze vragen bestudeerd door professor Yilong Han van het Department of Physics van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en Zhibin Xu, een Ph.D. student van de HKUST Guangzhou Campus, met de deelname van Mengmeng Li, een Ph.D. student van de HKUST, en professor Huijun Zhang van de School of Materials Science and Technology van Xi’an Jiaotong University,
Hun computersimulaties op 2D-vaste stoffen generaliseerden de materiaalsterkte van de traditionele functie met één variabele (dat wil zeggen Hall-Petch- en inverse-Hall-Petch-relaties) naar een functie met twee variabelen van korrelgrootte en korrelgrensdikte.
Ze merkten op dat het vergroten van de dikte van de ongeordende korrelgrenzen en het verkleinen van de korreldiameter vergelijkbare effecten had op de vloeispanning, dat wil zeggen de sterkte, omdat het aandeel ongeordende structuur in beide gevallen toenam. Wanneer de gemiddelde korreldiameter groter was dan ongeveer 50 deeltjes, toen de dikte van de korrelgrens toenam, nam de sterkte van de vaste stof aanvankelijk toe (dat wil zeggen de versterkingsfase) en vervolgens verzwakt (de verzwakkingsfase).
Hun corresponderende mechanismen waren de dislocatie die binnen de kristallijne korrels gleed en deformatie binnen korrelgrenzen, die vergelijkbaar waren met de mechanismen van respectievelijk Hall-Petch- en inverse-Hall-Petch-relaties. Wanneer de diameter van de korrelgrens kleiner was dan 50 deeltjes, was de plastische deformatie volledig binnen de korrelgrens en was de versterkingsfase dus afwezig.
“We vinden hoe we de korrelgrenzen op de juiste manier kunnen verdikken om de maximale sterkte van traditionele polykristallen te overtreffen door systematisch de mechanische sterkte te meten in een uitgebreidere 2D-parameterruimte. Het kan de vervaardiging van sterkere vaste stoffen begeleiden, ” zei Zhibin Xu.
“De relatie tussen vaste structuur en materiaaleigenschappen is een belangrijk onderwerp in materiaalwetenschap en werktuigbouwkunde. Veel aandacht op deze gebieden wordt besteed aan het praktische probleem hoe geordende en ongeordende structuren kunnen worden gemengd om de maximale sterkte in echte 3D-materialen te bereiken, zonder analogieën of generalisaties maken op de klassieke Hall-Petch en inverse-Hall-Petch-relaties. We zijn meer nieuwsgierig naar de sterkte of andere eigenschappen in een meer uitgebreide parameterruimte, “zei Yilong Han.
“Natuurkundigen gebruiken vaak eenvoudige modellen om algemeen gedrag te begrijpen. Hierin hebben we alleen eenvoudige 2D-vaste stoffen bestudeerd met Lennard-Jones-deeltjesinteracties als eerste stap. De trend van materiaalsterkte waargenomen in 2D-vaste stoffen zou op dezelfde manier moeten bestaan in 3D-vaste stoffen vanwege hun vergelijkbare vervormingsmechanismen Het is praktisch om deze resultaten in 3D-simulatie te testen en in de toekomst te experimenteren.”
Bovendien is de overgang van polykristal naar glas, in tegenstelling tot de intensief bestudeerde overgang van vloeistof naar glas en de directe ineenstorting van een enkel kristal naar glas (dwz een amorfe vaste stof), zelden bestudeerd. Het eerdere werk van de groep van Han onthulde voor het eerst een scherpe overgang van polykristal naar glas door de korrelgrootte af te stemmen. Hier is het afstemmen van de korrelgrensdikte een alternatieve route om de overgang van polykristal naar glas te bereiken, en biedt het dus een nieuw platform voor de studie van de overgang van polykristal naar glas in de toekomst.
Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nationale Wetenschap Open.
Meer informatie:
Zhibin Xu et al, Generalisatie van het gedrag van Hall-Petch en omgekeerd Hall-Petch door amorfe gebieden in 2D-lichamen af te stemmen, Nationale Wetenschap Open (2023). DOI: 10.1360/nso/20220058
Aangeboden door Science China Press
