Pruebas nanomecánicas in situ a alta temperatura: exploración de la mecánica a micro y nanoescala y las transiciones de fase de cuasicristales
Figura 1. (1) Puntos de difracción de electrones de cuasicristal icosaédrico. (2) Notas de Dan Schechman sobre el descubrimiento de cuasicristales el 8 de abril de 1982. (www.quasi.iastate.edu/discovery.html).
El descubrimiento de los cuasicristales supuso un gran avance en la investigación cristalográfica en la década de 1980. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de ingeniería de los cuasicristales son muy limitadas en comparación con los materiales metálicos cristalinos de uso común, como el acero, el aluminio y el cobre. La primera razón es que los cuasicristales son muy frágiles y casi no tienen plasticidad a temperatura ambiente, incluso más frágiles que muchas cerámicas. Aunque los cuasicristales son similares a los cristales y también tienen dislocaciones, las dislocaciones en los cuasicristales son muy difíciles de deslizar debido a la existencia de tensiones mutuas. La plasticidad solo puede expresarse a través del deslizamiento de dislocaciones causado por la difusión a altas temperaturas. Debido a esto, desde el descubrimiento de los cuasicristales en la década de 1980 hasta el presente, la mayoría de las investigaciones se han centrado en las propiedades mecánicas de los cuasicristales en condiciones específicas (como pruebas por encima de 500 grados Celsius o bajo presión hidrostática).
Figura 2. (1) Muestra la estructura del aluminio-paladio-manganeso; (2) Cuasicristal dodecaédrico de Ho-Mg-Zn (wikipedia.org? Wiki? Quasicrystal)
Recientemente, Zou, Departamento de Materiales, Universidad de Toronto El profesor Yu colaboró con el grupo de investigación del Dr. Jeff Wheeler en ETH Zurich y utilizó una plataforma de prueba nanomecánica de alta temperatura in situ para estudiar el comportamiento mecánico y las características de transición de fase del cuasicristal icosaédrico Al-Pd-Mn desde temperatura ambiente hasta 500 grados. Celsius. El trabajo se publica en el último número de Physical Review Materials. (4 Cheng et al., Phys. Rev. Materials (2021)) El primer autor es Cheng Changjun, estudiante de doctorado de la Universidad de Toronto, y el corresponsal es el profesor Zou Yu. Otros autores incluyen al Dr. Xiao Yuan y al Dr. Jeff Wheeler del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Suiza, y a los estudiantes de doctorado Michelle Hatch y Zhiying Liu de la Universidad de Toronto.
Antes de esto, en 2016, Zou Yu y sus colegas observaron experimentalmente por primera vez la plasticidad de compresión coaxial del cuasicristal icosaédrico Al-Pd-Mn a temperatura ambiente mediante micronanomecánica, y descubrieron la temperatura Posibilidad de menor deslizamiento de dislocación. (1Zou et al. Nature Communications 7, (2016))
Figura 3. Cuando el tamaño de la muestra se reduce a 500 nm, el cuasicristal icosaédrico Al-Pd-Mn muestra buena plasticidad. 1
En el mismo año, tiene simetría traslacional (una dirección; la otra dirección no tiene simetría traslacional) en el cuasicristal decaédrico típico Al-Ni-Co, y se encontró que era anisotrópico en el nivel micro. -nano escala El sexo opuesto se redujo significativamente. (2 Zou et al., Extreme Mechanics (2016). Además, también exploraron las propiedades micronanomecánicas del cuasicristal decaédrico Al-Ni-Co a altas temperaturas. (3 Zou et al., Journal of Philosophy (2016) )
Figura 4. Prueba de compresión del cuasicristal decaédrico Al-Ni-Co a lo largo de diferentes orientaciones 2
Este trabajo, publicado en PhysicalReview Materials, utiliza métodos de micronanomecánica para observar y probar En este trabajo se encontraron los cambios del cuasicristal icosaédrico Al-Pd-Mn en un rango de temperatura que nadie ha estudiado antes: (1) El cuasicristal aún es estable desde temperatura ambiente hasta 300 grados Celsius. Se transforma a policristalino (creando cuatro nuevas fases). ) entre 300 y 500 grados Celsius, pero permanece cuasicristalino por encima de 500 grados Celsius los resultados muestran que los cuasicristales son termodinámicamente estables a altas temperaturas, cinéticamente estables a bajas temperaturas y cuasicristalinos a bajas temperaturas (2). A 300-500 grados Celsius, los monocristales se transforman en nanopolicristales y el mecanismo de deformación cambia de mecanismos de dislocación a mecanismos de difusión y movimiento de límites de grano (3) Debido a la difusión superficial y la evaporación, el volumen de la muestra se vuelve más pequeño a alta temperatura; 4) la curva de deformación cambia de irregular a baja temperatura a suave a alta temperatura.
Figura 5. Cambios en la fuerza y estructura de fases de los cuasicristales con la temperatura
Figura 6. Fotografías TEM y distribución de elementos después de la deformación a temperatura ambiente 4
Figura 7. Fotografías TEM y distribución de elementos después de la deformación a 500°C
Figura 8. Reducción del volumen de muestra a diferentes temperaturas 4
Referencia:
1Y. Zou, H. Ma y R. Spolenak, "Aleaciones de alta entropía ultrafuertes, resistentes y estables a pequeña escala". doi:10.1038/ncomms 8748.
2A. Zou, P. Kuczera, W. Steurer, R. Spolenak "Desaparición de la anisotropía plástica en decacuasicristales a pequeña escala y a temperatura ambiente" Extreme Mechanics Letters, 8 (2016), 229-234. Doi:10.1016
3Y. Zou, J. Wheeler, A. Sologubenko, P. Kuczera, W. Steurer, J. Michler, R. Spolenak, "Temperatura ambiente y plasticidad a alta temperatura de cuasicristales decagonales de Alnico puente mediante pruebas termomecánicas microscópicas", PhilosophicalMagazine (2016), 1-23. doi:10.1080/14786435.2016.1234722
Cheng, Xiao, Liu, Wheeler, Zou "Estudio sobre la plasticidad a pequeña escala y la estabilidad de fase del cuasicristal icosaédrico I-Al-Pd-Mn a altas temperaturas" Phys. Materiales (2021) https://doi.org/10.1103/physrevmaterials 5 053602
*Gracias al equipo de autores del artículo por su firme apoyo a este artículo.