Пластичность и сила: упрочнение интерметаллида без акцента на дислокации

Тысячи лет тому назад человечество познакомилось с удивительными материалами, которые нашли свое применение в самых разных сферах жизни. Это были металлы. Поскольку мы частенько не можем просто так использовать то, что нам дает планета, многие великие умы придумывали различные способы усиления/упрочнение металлов. Но у всего есть свой предел, и преодолеть определенные ограничения кристаллической структуры металлов, касающиеся дислокаций, считалось невозможным. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Висконсинского университета в Мадисоне (США) продемонстрировали, что установленные ранее правила касательно металлов пора переписать. Что именно удалось сделать с кристаллической структурой металла, почему фиксация дислокаций это не так просто, и какие плюшки для человечества сокрыты в этом исследовании? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Куй железо, не отходя от кассы. В этой метафоре скрыто сразу несколько физических терминов, одним из которых является ковкость — свойство материала, определяющее его способность к обработке деформированием, т.е. ковкой. Для металлов ковкость является своеобразным показателем пластичности. Именно этот показатель страдает сильнее всего в случае усиления прочности металла, из-за чего в определенный критический момент он может просто треснуть. В этом исследовании ученые создали методику, позволяющую забыть об этой проблеме, но о ней чуть позже.

Еще в начале прошлого века ученые поняли, что согнуть металл куда проще, чем согнуть его молекулярную структуру, которая чаще всего представляет собой трехмерную решетку. Ничто не идеально и у всего есть дефекты, даже у кристаллической решетки твердого тела. Их называют дислокации. Эти неточности решетки достаточно подвижны, что и позволяет металлам быть такими ковкими. Если же мы хотим упрочнить металл, то дислокации трогать нельзя, они неприкасаемы, по крайней мере так считалось ранее.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые смогли получить пластическую деформацию высокой степени для интерметаллида* без помощи дислокаций.

Интерметаллид* — соединение двух или более металлов.

Стоит отметить, что немаловажную роль в механических свойствах металлов играют и его зерна (кристаллиты). Если зерна малого размера, то основным механизмом деформации является скольжение/смещение межзеренных границ. Если же зерна крупные, то металл деформируется путем прямой аморфизации вдоль плоскости сдвига.

Укреплением металла достигается разными способами, самым эффективным среди которых является изменение размеров зерна. Чем меньше зерна, тем прочнее металл. Более научно это можно выразить как закон Холла-Петча (или соотношение Холла-Петча). Действие этого закона вступает в силу, когда блокируется движение дислокаций по границам зерен. Однако масштабирование прочности в зависимости от размера зерна, описываемого этим законом, может разрушить металлы с гранецентрированной кристаллической решеткой.

Схема гранецентрированной решетки.

Также этот закон нельзя применять бесконечно, ибо при размере зерна меньше 12-15 нм прочность металла не увеличивается, как того предполагает закон Холла-Петча, а наоборот снижается. Это явление называют обратным законом Холла-Петча.

Исследователи не отрицают, что фиксация дислокаций позволяет упрочнить металл, но это имеет ощутимый отрицательный эффект на его пластичность. Именно по этой причине изучение других механизмов размещения деформаций, окромя дислокаций, может открыть новые возможности для конструирования материалов с уникальными механическими свойствами.

В своем труде ученые провели моделирование и практические опыты с применением самарийпентакобальта (SmCo₅) — интерметаллида, состоящего из кобальта и самария. Им удалось доказать, что пластическая деформация без акцента на дислокации не просто возможна, но и достаточно легко достижима.

Результаты исследования

Прежде, чем проверять все на практике, ученые провели моделирование с применением модели погруженного атома (EAM — embedded atom model), приспособленной к множеству свойств Sm, Co и Sm–Co. В расчетах учитывались разные размеры зерен: от 5 нм до 65 нм. Каждый из исследуемых образцов в модели содержал по 10 зерен со случайной ориентацией. Размер зерен при переходе от образца к образцу менялся, но ориентация оставалась предыдущей. Ученые создали модели одноосного растяжения и одноосного сжатия при скорости деформации 10⁸ с^-1.

Изображение №1

На графиках 1а и 1b показаны результаты моделирования сжатия. Было обнаружено, что сохранение пластичности сохраняется вплоть до размеров зерен в 37 нм. В случае более крупных зерен наблюдается усиление напряжения, но никаких признаков соотношения Холла-Петча.

Для сравнения ученые провели моделирование растяжения для меди (Cu), во время которого были отчетливо видны признаки реализации соотношения Холла-Петча и обратного соотношения Холла-Петча для зерен меньше 12 нм.

В то же время, образцы SmCo₅ демонстрируют явную пластическую деформацию для всех размеров зерна без образования пустот или трещин, даже если истинная деформация достигает 18%.

Чтобы подтвердить результаты моделирования, исследователи провели измерения микротвердости образцов SmCo₅ с различными размерами зерен. Было обнаружено отличие в результатах измеренной зависимости твердости от размера зерна (1с) и зависимостью прочности от размера зерна (1b), полученной во время моделирования. Ввиду того, что ожидается приблизительная пропорциональность микротвердости и прочности, можно сказать, что эксперименты подтвердили результаты моделирования.

Также было обнаружено, что прочность SmCo₅ (~ 2ГПа при размере зерен 12 нм) сравнима с прочностью ГПУ (гексагональной плотноупакованной) решетки Co.

В ГПУ (гранецентрированных) и ГПУ (гексагональных плотноупакованных) металлах усиление межзеренных границ с уменьшением размера зерен объясняется уменьшением количества дислокаций, формирующихся в границах в мелкозернистых материалах.

В моделях, представленных в исследовании, никаких скольжений дислокаций не наблюдалось, а это согласуется с относительно высокими энергетическими барьерами для зарождения и движения дислокаций, найденными в расчетах поверхности потенциальной энергии (ППЭ) жесткого скольжения.

Изображение №2

На графике 2а показаны примеры ППЭ, рассчитанные посредством теории функционала плотности (DFT) и модели погруженного атома (EAM). Ученые отмечают, что несмотря на отсутствие прямой связи между потенциалом и ППЭ, оба метода дали очень похожие результаты.

Самый низкий показатель ЭМ, т.е. энергетического максимума, (1982 мДж/м²) наблюдался для базального скольжения [(0001)⟨1120⟩]. Пирамидальное 2с+а скольжение [(1121)⟨1126⟩] имеет сопоставимый ЭМ на начальной стадии скольжения, но фактический ЭМ, возникающий на расстоянии скольжения 6.5 Å, очень высок (65280 мДж/м²). Пирамидальное с+а скольжение [(1121)⟨2113⟩] демонстрирует ЭМ (29680 мДж/м²) сразу в начале скольжения.

Самым важным наблюдением, по мнению исследователей, является то, что для SmCo₅ даже самая низкая ЭМ на один порядок выше значений, рассчитанных для обычных ГПУ металлов.

Кроме того, энергия, вводимая в кристалл дислокацией, пропорциональна b², где b — длина вектора Бюргерса*. Значения b для дислокаций в SmCo₅ выше 5 Å, т.е. значительно выше, чем, например, значение 2.55 Å для Cu [(111)⟨110⟩] и 3.21 Å для систем скольжения Mg [(0001)⟨1120⟩].

Вектор Бюргерса* — количественно описывает искажения кристаллической решетки вокруг дислокации.

Во время экспериментов полного скольжения дислокаций хоть и не наблюдалось, но были признаки частичного на пирамидальной системе 2с+а скольжения (2b). Понять природу этого частичного скольжения можно, если обратить внимание на ППЭ на графике 2a. В начале скольжения энергия достаточно низкая, а скольжение останавливается на расстоянии меньше ~1.5 Å, потому что оно сталкивается с высоким ЭМ.

На изображении 2b показаны неполные пирамидальные скольжения, а на 2с показано то же самое, но уже на атомарном уровне.

Расстояние скольжения, наблюдаемое во время моделирования, значительно меньше, чем длина вектора Берджеса, которая составляет 9.5 Å.

Базальное скольжение не было обнаружено. Это может иметь следующее объяснение: вероятность того, что у единственной базальной плоскости будет наибольшее напряжение сдвига, меньше, чем вероятность того, что одна из трех плоскостей для 2с+а скольжения будет иметь достаточно высокое напряжение сдвига, чтобы инициировать скольжение (2c), даже если базальное скольжение имеет самый низкий ЭМ.

Очевидно, что SmCo₅ не имеет пяти независимых систем скольжения дислокаций (на самом деле их нет вообще), которые могут продолжать приспосабливаться к деформации, гарантируя произвольную пластическую деформацию поликристалла. Такого рода материалы обычно очень хрупкие, но не в этом случае, так как моделирование четко показало высокую степень пластичности.

Изображение №3

Во время моделирования и расчетов было установлено, что пластичность SmCo₅ обусловлена скольжением межзеренных границ и прямой аморфизации вдоль плоскости сдвига. Полученные в результате таких процессов структуры ученые назвали аморфными полосами сдвига*.

Полоса сдвига* — участок локальной деформации в металле или сплаве.

Чаще всего для возникновения скольжения границ в поликристаллических материалах необходимы так называемые механизмы аккомодации, т.е. механизмы, которые снимают напряжение, накопленное в тройном соединении (как тройник в геологии) вследствие скольжения смежных межзеренных границ (3а—3d).

Когда напряжение сдвига границы превышает его прочность, возникает то самое скольжение границы (3а) и накопление локального напряжения в тройном соединении (3b). Локальное напряжение сопротивляется дальнейшему скольжению вдоль границы и начинает расти вместе с ростом напряжения. В момент достижения критической отметки напряжение приводит к формированию аморфной полосы сдвига от тройного соединения (3с). Ввиду того, что гетерогенная нуклеация высвобождает локальное напряжение (3d), скольжение границ продолжается. Во время этого процесса наблюдается внезапное размягчение, а после этого — стабилизация напряжения. Подобные процессы наблюдались как для деформации растяжения, так и для сжатия.

Для подтверждения аморфности областей внутри скольжения были рассчитаны парные функции распределения (PDF — pair distribution function) Co-Co и Sm-Sm в локальных областях зерна. Результаты расчетов сравнили с аналогичными для монокристалла и аморфной массы (3е, 3f).

Сравнительный анализ расчетов показал, что для образцов, деформированных при сжатии до 9.4%, пики в PDF кристаллической зоны шире и ниже из-за локальных искажений, но все же имеют явное сходство с таковыми в монокристалле. А вот PDF, рассчитанные в пределах полосы сдвига, отлично совпадают с таковыми для объемного аморфного образца SmCo₅, а зависимость PDF от размера зерна и вовсе не была обнаружена.

Далее ученым необходимо было проверить свои прогнозы касательно того, что SmCo₅ может подвергаться значительной пластической деформации. Для этого были проведены эксперименты, во время которых образцы в форме микростолбов подвергались деформации.

Было обнаружено, что образцы SmCo₅ действительно деформируются пластически и не разрушаются при воздействии более чем 20% напряжения. Далее была использована просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ) на образце SmCo₅, который был деформирован надавливанием. Это позволило проверить теорию касательно аморфных полос сдвига, вызванных напряжением. Микроскопия подтвердила наличие нескольких полос сдвига в области деформации (3g). Самое любопытное, что в исследуемой области не было обнаружено никаких дислокаций.

Графики БПФ (быстрое преобразование Фурье) и обратного БПФ показали, что полоса сдвига аморфна, тогда как внеполосные области являются кристаллическими (3h—3j). Также было обнаружено, что аморфные полосы сдвига распространяются в зернах без возникновения трещин.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде исследователи смогли успешно продемонстрировать на практике свою теорию — на дислокациях мир клином не сошелся. Многие годы ученые считали, что дислокации должны быть подвижными, что позволит металлу быть пластичным и не ломаться при малейшем напряжении. Однако это утверждение ошибочно, что и подтвердило рассмотренное нами сегодня исследование.

В дальнейшем ученые из Висконсинского университета намерены продолжить изучение металлов, сконцентрировавшись на поисках их скрытых свойств. Возможно, эти свойства не такие уж и скрытые, может просто ранее установленное ошибочное утверждение направило нас не в том направлении поисков? Может и так, может исследователи смогут в будущем развенчать еще парочку «аксиом» из мира материаловедения. Ведь не даром говорят, доверяй — но проверяй.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?