Microstructure typique du NT-Ni tel que déposé avec une épaisseur de jumelle extrêmement fine. (A) Structure tridimensionnelle de NT-Ni composée d'images MET à champ clair en vue en plan et en coupe transversale. (B) Double épaisseur et (C) distributions de largeur de colonne mesurées à partir d'images TEM et HRTEM du spécimen déposé NT-2.9. (D) Image MET à section transversale agrandie supérieure de l'échantillon NT-2.9. (E) image HRTEM prise le long de l'axe de la zone [011]. L'encart dans (E) montre le diagramme de diffraction électronique correspondant à la zone sélectionnée. (F) Modèle XRD montrant l'orientation dominante (111) présente dans l'échantillon NT-2.9. a.u., unités arbitraires. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Fenghui Duan et une équipe de recherche en Chine ont détaillé le renforcement continu des matériaux de nickel pur nanojumelés. Le matériau a enregistré une résistance sans précédent de 4,0 GPa à une épaisseur de jumelle extrêmement fine, 12 fois plus résistant que celui du nickel à gros grains conventionnel. Les théories suggèrent divers mécanismes d'adoucissement des métaux nanograinés. Un renforcement continu peut se produire dans des métaux nanojumelés avec une épaisseur de jumelle extrêmement fine pour obtenir une résistance ultra-élevée. Il est difficile de vérifier expérimentalement cette hypothèse tout en régulant la synthèse de métaux nanojumelés d'une épaisseur inférieure à 10 nm. Dans ce travail, l'équipe a développé du nickel nanojumelé à grains colonnaires avec une épaisseur double allant de 2,9 à 81 nm, en utilisant l'électrodéposition en courant continu pour montrer le processus de renforcement continu. Duan et al. a utilisé la microscopie électronique à transmission (MET) pour révéler les attributs du renforcement et a attribué les résultats à l'architecture à espacement fin du matériau.
Microstructure du nickel nanojumelé développé
Les spécimens de nickel en vrac maintenaient une pureté élevée et contenaient une densité élevée de lamelles jumelles nanométriques incrustées de grains colonnaires nanométriques synthétisés par électrodéposition en courant continu dans un bain de citrate. L'équipe a régulé les teneurs en ions nickel et citrate dans l'électrolyte pour affiner l'épaisseur moyenne des jumeaux. Le matériau présentait une distribution étroite allant de 0,5 à 15 mm. Les chercheurs ont utilisé des micrographies agrandies pour observer les détails des matériaux et en utilisant des modèles de diffraction des rayons X, ils ont noté une texture cristallographique hors plan, conforme aux résultats de la microscopie électronique à transmission.
Mécanismes de développement et de renforcement des matériaux.
Les scientifiques ont ensuite utilisé l'électrodéposition comme processus de non-équilibre pour la formation généralisée de nickel pur. Les métaux nanojumelés détendus étaient énergétiquement plus stables que les dépôts fortement sollicités. Le rapport de concentration plus faible du citrate et de l'ion nickel a entraîné une contrainte de traction interne plus élevée. L'équipe a également ajouté de l'hydrogène pour favoriser la nucléation des jumeaux. Pour comprendre les propriétés mécaniques du matériau, ils ont mené des essais de compression uniaxiale sur des micropiliers d'un diamètre de 1,3 micron à l'échelle. Les courbes contrainte-déformation indiquaient que le matériau avec une épaisseur de jumelle plus petite était plus résistant, montrant que le comportement de renforcement est toujours fonctionnel même avec une épaisseur de double affinée.
Propriétés mécaniques des piliers NT-Ni. Courbes de contrainte-déformation uniaxiales vraies pour les piliers montrant que la contrainte d'écoulement à une déformation plastique de 2% dans les échantillons NT-2.9 et NT-6.4 est de 4,0 et 2,9 GPa, respectivement. Les vraies courbes contrainte-déformation pour NG- et CG-Ni de (22) sont également présentées à titre de comparaison. Le carré rouge, cercle orange, et les triangles bleus et noirs indiquent les contraintes d'écoulement à 2% de déformation plastique pour les quatre échantillons. L'encart présente un schéma de l'essai de compression qui a été effectué sur des éprouvettes NT-Ni de 1,3 µm de diamètre. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Renforcement continu en NT-Ni. Variation de la limite d'élasticité avec la granulométrie moyenne ou l'épaisseur double pour le NT-Ni microallié Ni et Mo (1,3 at. %), ainsi que des données de la littérature directement obtenues par des essais de traction et de compression pour le Ni électrodéposé (ED), Ni piliers, ED NT-Ni (22, 24-33, 53, 54), et NT-Cu (2). Un comportement de renforcement continu s'étendant jusqu'à des épaisseurs jumelées de 2,9 et 1,9 nm est observé dans les échantillons NT-Ni tels que déposés et NT-Ni microalliés au Mo, respectivement. Inversement, comportement adoucissant, c'est à dire., limite d'élasticité décroissante avec la granulométrie ou l'épaisseur des grains décroissants, est observée dans le NT-Cu tel que déposé lorsque l'épaisseur moyenne des macles est inférieure à 10 à 15 nm. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Mécanismes de déformation dans NT-Ni avec λ =2,9 nm. (A) Image post-mortem en champ clair, montrant la bande de cisaillement et les grains colonnaires dans l'échantillon. L'encart montre la morphologie du pilier après compression uniaxiale à ~3% de déformation plastique. (B) Une image TEM agrandie plus de la case R1 en (A) montrant la structure nanojumelle préservée dans les régions déformées. (C) Une image HRTEM typique et (D) sa carte de déformation GPA correspondante (rotation du corps rigide dans le plan, ωxy) dans la région déformée, montrant qu'une luxation partielle a glissé avec une direction inclinée vers des plans jumeaux, laissant derrière lui un défaut d'empilement. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abg5113
L'évolution de la microstructure et des mécanismes de renforcement.
Pour comprendre les mécanismes responsables du renforcement continu, Duan et al. caractérise la microstructure du matériau. Pour y parvenir, ils ont utilisé une contrainte plastique de trois pour cent sur la région du matériau et ont noté la densité constamment élevée des nanojumeaux malgré la déformation, similaire à sa structure avant d'induire une déformation plastique. Cela indique une grande stabilité des nanojumeaux dans le matériau, une caractéristique qui résultait de l'activité supprimée des luxations partielles gémellaires. L'énergie d'empilement élevée du matériau a donc joué un rôle important pour entraver le processus de déjumelage du matériau. Duan et al. a approfondi les interactions en utilisant la microscopie électronique à transmission et a confirmé les mécanismes de renforcement du matériau de nickel nanojumelé, ainsi que les nanojumeaux secondaires inhérents au matériau, ce qui lui a fourni une force supplémentaire.
Formation de nanojumeau secondaire dans un échantillon NT-2.9 déformé. (A) Image HRTEM de la case R2 de la figure 4A montrant des nanojumeaux secondaires (marqués par des flèches jaunes) traversant les TB initiales formées à l'intérieur des grains colonnaires NT-Ni pendant la déformation. (B et C) Images HRTEM à grossissement supérieur des cases B et C en (A) affichant la nucléation et la terminaison des nanojumeaux secondaires, respectivement. (D) Carte de déformation GPA correspondante (rotation de corps rigide dans le plan, xy) pour l'image HRTEM (C). Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abg5113
Perspectives en chimie des matériaux
De cette façon, Fenghui Duan et ses collègues ont montré comment des nanojumeaux secondaires ou des nanojumeaux hiérarchiques peuvent être formés dans des métaux ou des alliages. Les chercheurs avaient précédemment développé la nucléation et la croissance de jumeaux secondaires et calculé la limite d'élasticité critique pour la nucléation des jumeaux dans le spécimen. Sur la base du modèle, ils ont découvert l'existence d'une transition dans le mécanisme de renforcement du Nickel nano-jumelé à une épaisseur de jumeau extrêmement fine. L'équipe a montré comment le nickel nanojumelé obtenu par électrodéposition en courant continu avec son épaisseur de jumeau extrêmement fine, présentaient une résistance supérieure à celles du nickel pur, dérivé du renforcement continu de l'épaisseur jumelle.
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