Microestructura típica de NT-Ni depositado con un espesor de gemelo extremadamente fino. (A) Estructura tridimensional de NT-Ni compuesta de imágenes TEM de campo claro en planta y en sección transversal. (B) Distribuciones de espesor doble y (C) ancho de columna medidas a partir de imágenes TEM y HRTEM de la muestra de NT-2.9 depositada. (D) Imagen TEM de sección transversal más ampliada de la muestra NT-2.9. (E) Imagen HRTEM tomada a lo largo del eje de la zona [011]. El recuadro en (E) muestra el patrón de difracción de electrones de área seleccionada correspondiente. (F) Patrón XRD que muestra la orientación dominante (111) presente en la muestra NT-2.9. a.u., unidades arbitrarias. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abg5113
En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Fenghui Duan y un equipo de investigación en China detallaron el fortalecimiento continuo en materiales de níquel puro nanotwinning. El material registró una resistencia sin precedentes de 4.0 GPa con un espesor gemelo extremadamente fino, 12 veces más resistente que el níquel de grano grueso convencional. Las teorías sugieren diversos mecanismos para ablandar los metales nanogranados. El refuerzo continuo puede ocurrir en metales nanotwinning con un espesor gemelo extremadamente fino para lograr una resistencia ultra alta. Es un desafío verificar experimentalmente esta hipótesis mientras se regula la síntesis de metales nanotwinning con un espesor inferior a 10 nm. En este trabajo, el equipo desarrolló níquel nanotwinning de grano columnar con un grosor gemelo que oscilaba entre 2,9 y 81 nm, utilizando electrodeposición de corriente continua para mostrar el proceso de fortalecimiento continuo. Duan y col. usó microscopía electrónica de transmisión (TEM) para revelar los atributos del fortalecimiento y atribuyó los resultados a la arquitectura espaciada fina del material.
Microestructura del níquel nanotwinning desarrollado
Las muestras de níquel a granel mantuvieron una alta pureza y contenían una alta densidad de laminillas gemelas a nanoescala incrustadas con granos columnares a nanoescala sintetizados mediante electrodeposición de corriente continua en un baño de citrato. El equipo reguló el contenido de iones de níquel y citrato en el electrolito para refinar el espesor promedio de los gemelos. El material mostró una distribución estrecha que variaba de 0,5 a 15 mm. Los investigadores utilizaron micrografías ampliadas para observar los detalles de los materiales y utilizaron patrones de difracción de rayos X, notaron una textura cristalográfica fuera del plano, coherente con los resultados de la microscopía electrónica de transmisión.
Mecanismos de desarrollo y fortalecimiento de materiales.
Luego, los científicos utilizaron la electrodeposición como un proceso de desequilibrio para la formación generalizada de níquel puro. Los metales nanotwinning relajados a la tensión eran energéticamente más estables que los depósitos altamente estresados. La relación de concentración más baja de citrato e ión níquel dio como resultado una mayor tensión de tracción interna. El equipo también agregó hidrógeno para promover la nucleación de gemelos. Para comprender las propiedades mecánicas del material, realizaron pruebas de compresión uniaxial en micropilares con un diámetro de 1.3 micrones en escala. Las curvas de tensión-deformación indicaron que el material con un espesor de gemelo más pequeño era más resistente, mostrando que el comportamiento de fortalecimiento sigue siendo funcional incluso con un grosor de gemelo refinado.
Propiedades mecánicas de los pilares de NT-Ni. Curvas de tensión-deformación uniaxiales verdaderas para pilares que muestran que la tensión de flujo al 2% de deformación plástica en las muestras NT-2.9 y NT-6.4 es 4.0 y 2.9 GPa, respectivamente. Las verdaderas curvas de tensión-deformación para NG- y CG-Ni de (22) también se presentan para comparación. El cuadrado rojo circulo naranja, y los triángulos azul y negro indican las tensiones de flujo al 2% de deformación plástica para las cuatro muestras. El recuadro muestra un esquema de la prueba de compresión que se llevó a cabo en muestras de NT-Ni de 1,3 μm de diámetro. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abg5113
Fortalecimiento continuo en NT-Ni. Variación del límite elástico con tamaño de grano medio o espesor doble para NT-Ni microaleado de Ni y Mo (1,3 at.%), junto con los datos de la literatura obtenidos directamente por ensayos de tracción y compresión para Ni electrodepositado (ED), Pilares de Ni, ED NT-Ni (22, 24–33, 53, 54), y NT-Cu (2). Se observa un comportamiento de refuerzo continuo que se extiende a espesores gemelos de 2,9 y 1,9 nm en las muestras de NT-Ni depositadas y de NT-Ni microaleadas con Mo, respectivamente. En cambio, comportamiento suavizante, es decir., disminución del límite elástico con disminución del tamaño de grano o espesor doble, se observa en el NT-Cu depositado cuando el grosor medio del gemelo está por debajo de 10 a 15 nm. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abg5113
Mecanismos de deformación en NT-Ni con λ =2,9 nm. (A) Imagen de campo brillante post mórtem, mostrando la banda de corte y los granos columnares en la muestra. El recuadro muestra la morfología del pilar después de la compresión uniaxial a ~ 3% de deformación plástica. (B) Una imagen TEM más ampliada del cuadro R1 en (A) que muestra la estructura de nanotwin conservada en regiones deformadas. (C) Una imagen típica de HRTEM y (D) su mapa de deformación GPA correspondiente (rotación de cuerpo rígido en el plano, ωxy) en la región deformada, mostrando que una dislocación parcial se deslizó con una dirección inclinada a planos gemelos, dejando atrás una falla de apilamiento. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abg5113
La evolución de la microestructura y los mecanismos de fortalecimiento.
Comprender los mecanismos que se encargan del fortalecimiento continuo, Duan y col. caracterizó la microestructura del material. Para lograr esto, utilizaron una deformación plástica del tres por ciento en la región del material y observaron la alta densidad constante de los nanotwins a pesar de la deformación, similar a su estructura antes de inducir tensión plástica. Esto indicó una alta estabilidad de nanotwins en el material, una característica que surgió de la actividad suprimida de las dislocaciones parciales hermanadas. Por lo tanto, la alta energía de apilamiento del material jugó un papel importante para dificultar el proceso de desdoblamiento del material. Duan y col. Estudió más a fondo las interacciones utilizando microscopía electrónica de transmisión y confirmó los mecanismos de fortalecimiento del material de níquel nanotwinning, así como los nanotwins secundarios inherentes al material, lo que le proporcionó fuerza adicional.
Formación secundaria de nanotwin en una muestra deformada de NT-2.9. (A) Imagen HRTEM del cuadro R2 en la Fig. 4A que muestra nanotwins secundarios (marcados con flechas amarillas) que cruzan los TB iniciales formados dentro de los granos columnares de NT-Ni durante la deformación. (B y C) Imágenes HRTEM con mayor aumento de los recuadros B y C en (A) que muestran la nucleación y terminación de nanotwins secundarios, respectivamente. (D) Mapa de deformación GPA correspondiente (rotación de cuerpo rígido en el plano, ωxy) para la imagen HRTEM (C). Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abg5113
Outlook en química de materiales
De este modo, Fenghui Duan y sus colegas mostraron cómo se pueden formar nanotwins secundarios o nanotwins jerárquicos en metales o aleaciones. Los investigadores habían desarrollado previamente la nucleación y el crecimiento de gemelos secundarios y calcularon el límite de fluencia crítico para la nucleación de gemelos en la muestra. Basado en el modelo, encontraron la existencia de una transición en el mecanismo de fortalecimiento del níquel nanotwinning con un grosor gemelo extremadamente fino. El equipo mostró cómo el níquel nanotwinning logró mediante electrodeposición de corriente continua con su espesor gemelo extremadamente fino, exhibió una fuerza mayor que las del níquel puro, derivado de fortalecer continuamente el espesor del gemelo.
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