Los metales con granos de cristal a nanoescala son súper fuertes aunque no retienen su estructura a temperaturas más altas. Como resultado, es un desafío explorar su alta resistencia durante las aplicaciones de materiales. En un nuevo informe ahora publicado en Ciencias , X. Y. Li y un equipo de científicos en ciencia e ingeniería de materiales de la Academia de Ciencias de China y la Universidad Jiaotong de Shanghai en China, encontró una estructura de interfaz mínima en cobre (Cu) con granos de 10 nanómetros, que combinaron con una red de hermanamiento cristalográfico de nanogranos para retener una alta resistencia a temperaturas justo por debajo del punto de fusión. El descubrimiento proporcionó un camino diferente para obtener metales nanogranados estabilizados para aplicaciones de ingeniería de materiales y metalurgia.

Bloqueando la fuerza de la nanoescala

Los metales existen como sólidos policristalinos que son termodinámicamente inestables debido a sus límites de grano desordenados (GB) y tienden a ser más estables cuando los límites de grano se eliminan para finalmente formar monocristales. Utilizando experimentos y simulaciones de dinámica molecular Li et al. descubrió un tipo diferente de estado metaestable para el cobre puro (Cu) policristalino de grano extremadamente fino. Para policristales de grano fino con una densidad límite de grano suficientemente alta, la transformación en un estado amorfo metaestable es una opción alternativa a la estabilización y se anticipa desde un punto de vista termodinámico. Tales estados amorfos, sin embargo, rara vez se forman para la mayoría de las aleaciones metálicas y metales puros en condiciones convencionales, por lo tanto, queda por entender si se pueden adoptar otras estructuras metaestables cuando los granos policristalinos se refinan constantemente a escalas extremadamente pequeñas.

Un estado metaestable a nanoescala

Por ejemplo, cuando los granos de cobre (Cu) y níquel (Ni) se refinan a unas pocas decenas de nanómetros de tamaño mediante deformación plástica, el proceso puede desencadenar la relajación autónoma del límite del grano en estados de baja energía con disociaciones del límite del grano. Por lo tanto, las estructuras nanogranuladas pueden evolucionar hacia estados más estables acercándose al extremo del tamaño de grano. Usando simulaciones experimentales y de dinámica molecular (MD), Li y col. descubrió un estado metaestable en Cu puro policristalino con tamaños de grano de unos pocos nanómetros, formado por la evolución de los límites de grano en estructuras de interfaz mínima tridimensionales (3-D) restringidas a través de redes de límites gemelas.

Durante los experimentos, El equipo utilizó un proceso de deformación plástica de dos pasos de tratamiento de rectificado mecánico de superficie y torsión a alta presión en nitrógeno líquido para refinar granos de cobre policristalino con una pureza del 99,97 por ciento en peso a nanoescala. Usando microscopía electrónica de transmisión de campo brillante, Li y col. obtuvo imágenes de los granos extremadamente finos, donde el espécimen apareció como agregados irregulares o cadenas conectadas entre sí para formar redes continuas. Los agregados estaban hechos de varios granos individuales de unos pocos nanómetros de tamaño. Los diminutos cristalitos estaban conectados entre sí a través de límites atómicamente delgados y el equipo no detectó fases o poros amorfos.

Caracterizando los granos

Li y col. caracterizó los granos individuales del material inclinando las muestras bajo microscopía electrónica de transmisión de alta resolución para resolver sus imágenes de celosía e identificó diversas geometrías para muchos granos individuales. Las formas de los granos se asemejaban a un octaedro truncado; una opción favorable para granos de menos de 10 nanómetros. El equipo determinó la estabilidad térmica de las muestras de Cu preparadas con un tamaño de grano medio de 10 nm mediante recocido isotérmico a diversas temperaturas. Li y col. detectó más gemelos en los granos recocidos, potencialmente debido a una mayor disociación de los límites de los granos durante el recocido a temperaturas elevadas. Al elevar las temperaturas por encima de 1357 K, los científicos indujeron la fusión, momento en el que desaparecieron todos los nanogranos.

Luego prepararon otra muestra con granos más grandes para comparar con el mismo proceso, pero con menor tensión. Las observaciones apoyaron la idea de que las relajaciones de los límites de los granos en los policristales con un tamaño de grano más pequeño mejorarán la estabilidad. Usando experimentos de nanoindentación, notaron una estabilidad inusual para los granos extremadamente bien refinados en la estructura policristalina.

Luego, el equipo estableció un modelo atomístico para investigar la excelente estabilidad de los granos de Cu extremadamente finos. Para lograr esto, construyeron una supercélula Kelvin extendida en referencia al modelo Kelvin, con 16 granos truncados en forma de octaedros de igual tamaño y reconoció las características fundamentales de las redes de límites de granos. El equipo también eligió un policristal Kelvin extendido con un tamaño de grano inicial de 3,27 nm como estructura inicial para simplificar y realizó simulaciones MD (dinámica molecular) para relajar la muestra calentándola a diferentes temperaturas objetivo. Durante la relajación dinámica molecular y el calentamiento posterior, los límites de grano en el policristal Kelvin extendido se transformaron en diferentes estructuras a través de eventos variados.

Mientras que algunos granos se encogieron y finalmente desaparecieron al calentarse debido a la migración de los límites del grano, toda la red de límites de granos no colapsó, en lugar de fusionarse y desarrollarse en diferentes formas para parecerse topológicamente a la superficie Schwarz D (superficies periódicas en tres dimensiones). Según los resultados de MD, la transformación fue impulsada termodinámicamente. Adicionalmente, la estructura policristalina con interfaces Schwarz D era más estable que los policristales Kelvin.

El papel de la estructura D de Schwarz

La estructura de Schwarz D obtenida en este trabajo se mantuvo estable a temperaturas elevadas. En lugar de engrosar, la rugosidad del límite del grano se produjo a medida que se acercaba el punto de fusión; en cuyo punto la fase líquida se nucleó heterogéneamente a 1321 K, sugiriendo que la estabilidad térmica superior está limitada cinéticamente por la fusión del límite de grano. El equipo llevó a cabo pruebas de carga de tracción uniaxial en la estructura de Schwarz D restringida por el límite gemelo coherente (CTB) a diversas temperaturas y deformaciones. Atribuyeron el modo principal de deformación observada al hermanamiento y la tensión crítica correspondiente al hermanamiento incipiente dependía de la temperatura.

Perspectivas del cristal de Schwarz en el desarrollo de materiales

De este modo, basado en experimentos y simulaciones MD, X. Y. Li y sus colegas confirmaron la capacidad de lograr una estabilidad pronunciada en cobre policristalino (Cu) con granos de tamaño nanométrico. Se refirieron a la estructura observada como un cristal de Schwarz, un tipo diferente de estado metaestable para los sólidos policristalinos, que difería fundamentalmente de los estados sólidos amorfos. Se espera la aparición del cristal de Schwarz en diferentes metales y aleaciones mediante la activación de mecanismos de hermanamiento a nanoescala. El cristal puro de Cu Schwarz contenía una densidad muy alta de interfaces y mostraba una estabilidad térmica tan alta como la de un solo cristal. y mucho más alto que los sólidos amorfos.

La estructura brindará oportunidades emergentes para explorar los fenómenos físicos y químicos de los metales en relación con la dinámica de transporte de átomos y electrones en las interfaces y durante las interacciones de defectos a altas temperaturas en la ciencia de los materiales. El cristal de Schwarz permitió una estabilidad y resistencia elevadas con granos refinados a una escala extremadamente fina. El trabajo ayudará a superar las dificultades presentes con las estrategias tradicionales para el desarrollo de materiales. El cristal Schwarz debe ser accesible en otros materiales, así como, para proporcionar una dirección diferente para desarrollar materiales fuertes y estables para aplicaciones de alta temperatura.

© 2020 Science X Network