Realizando ensayos micromecánicos en monocristales de níquel, Los investigadores de materiales de ANSTO pudieron derivar las propiedades generales de un material policristalino de una manera que es útil para la ingeniería.

Las propiedades de tracción generalmente se extraen de modelos matemáticos computacionales o sofisticados después de pruebas de sangría o micro-voladizo, cuando el volumen de material disponible es pequeño, como en el caso de multicapas de película fina, Materiales y revestimientos superficiales irradiados con iones.

En un artículo publicado en el International Journal of Plasticity, los investigadores dirigidos por el científico principal de ANSTO, el Dr. Dhriti Bhattacharyya, informaron los resultados de las pruebas de micro-tracción in situ para evaluar los efectos combinados de la velocidad de deformación y la orientación sobre el comportamiento de deformación en monocristales de níquel.

"Aunque se sabía que las diferentes orientaciones tenían diferentes puntos fuertes, Queríamos determinar el comportamiento de tensión / deformación tirando a lo largo de una dirección del cristal u otra y si la tasa de deformación, o tasa de deformación, tuvo diferentes efectos en diferentes direcciones, "dijo Bhattacharyya.

La sensibilidad a la velocidad de deformación es un fenómeno bien conocido en las pruebas macroscópicas, pero no se comprende bien a nivel microscópico. " él dijo.

Además de contribuir a una comprensión fundamental de la deformación mecánica a escala microscópica, el posible ahorro de costes de extrapolar las macropropiedades utilizando muestras de tamaño micrométrico es significativo en comparación con muestras estándar de tamaño milimétrico, que a veces son imposibles de obtener en el caso de películas delgadas y materiales de superficie modificada.

"Elegimos las pruebas de tracción porque, para casi todos los materiales, desea saber cómo se comporta el material bajo tensión, "dijo Bhattacharyya.

Descubrieron que tirar a lo largo de orientaciones específicas del cristal marca la diferencia en la resistencia máxima, ductilidad y la forma en que el cristal se deforma.

En materiales policristalinos, porque cada grano tiene una orientación diferente, se utiliza algún tipo de promediado para determinar las propiedades del grano

En estos experimentos, el efecto de la velocidad de deformación y la orientación del cristal se midió en 10 muestras con un tamaño de 12 micrones.

El Dr. Alan Xu extrajo las muestras usando una máquina de prueba micromecánica de última generación a lo largo de una dirección perpendicular a la cara cúbica de la celda unitaria de cristal (100) y a lo largo de la diagonal de la cara de la celda unitaria (110) y midió la respuesta.

Las orientaciones se eligieron debido a la expectativa de deslizamiento múltiple en diferentes números de sistemas de deslizamiento.

"Encontramos diferentes comportamientos tanto en términos de desplazamiento, cómo se deforma la forma, sino también en términos de la curva tensión / deformación, "dijo Xu.

El alargamiento de las [110] muestras (como se muestra arriba en el video) fue casi el doble que el de las [100] muestras.

La curva de tensión / deformación reveló que la muestra orientada [110] exhibió un pico de tensión inicial, seguido de ablandamiento, un valle de fondo plano, un endurecimiento y un pico secundarios y finalmente un ablandamiento y un fallo.

"En esta muestra, el deslizamiento ocurre como el abanico de una pila de cartas, "dijo Bhattacharyya.

Se cree que el doble pico en una curva de tensión / deformación es un fenómeno único.

Los investigadores atribuyeron esto a un deslizamiento inicial mediante una serie de pasos de deslizamiento paralelos a lo largo de toda la longitud de la vía. Sin embargo, Una vez que la tensión de flujo se incrementó debido al endurecimiento por deformación en este plano, acompañado de una rotación del cristal, se activó un segundo sistema de deslizamiento en un plano diferente.

La muestra orientada [100] se desliza en al menos dos planos diferentes inicialmente (como se muestra en el video de arriba); seguido de cuatro posibles sistemas de deslizamiento. Se formaron progresivamente más escalones de deslizamiento en múltiples planos de deslizamiento alrededor de la región del cuello para acomodar la tensión y la muestra se fracturó en forma de filo de cuchillo.

Se utilizó difracción por retrodispersión por haz de electrones para identificar la orientación de los cristales.

"La medida en que los cristales se desvían de su orientación original es un indicador de cuánto ha girado el cristal en sí, "dijo Xu.

"Tirar a lo largo de ambas orientaciones mostró que la ductilidad se duplicó a lo largo de la diagonal de la cara, que fue interesante, "dijo Bhattacharyya.

El esfuerzo cortante resuelto crítico (CRSS), es decir, el esfuerzo cortante mínimo requerido para la deformación plástica a lo largo de cierto plano, se calculó a partir del límite elástico de las muestras de cristal único orientadas [100] y [110] en ~ 73 MPa y ~ 63 MPa respectivamente.

Se pensó que la ligera desviación de estos valores de los valores de CRSS para el níquel era atribuible a los efectos debidos a la diferencia de tamaño y densidad de dislocación inicial. La densidad de dislocaciones se refiere al número de dislocaciones en una unidad de volumen de un material cristalino.

"En tono rimbombante, Se encontró que la sensibilidad de la tasa de deformación calculada era del mismo orden de magnitud que las muestras macroscópicas de níquel, "dijo Bhattacharyya.

El investigador de materiales de ANSTO, Michael Saleh, utilizó la teoría de Taylor de la plasticidad policristalina y la teoría de Hall-Petch del fortalecimiento del límite de grano con los datos de deformación por tensión de flujo de las muestras de monocristales experimentales para obtener sensibilidades de deformación por tensión aproximadas para policristales.

"Hubo un acuerdo razonable entre la curva de flujo prevista y la curva experimental, "dijo Saleh, que es un experto en modelado por computadora.

"Si quisiéramos obtener la tensión de flujo para un tamaño de grano de 100 micrones, podemos hacer eso a través de este tipo de modelado usando la teoría de la plasticidad, porque la respuesta a microescala de los monocristales complementa la respuesta a macroescala ".

La siguiente etapa de la investigación incluirá la prueba de materiales irradiados con iones en condiciones de prueba similares.