Détermination de la résistance mécanique des métaux à grain ultrafin

Summary

Le protocole présenté ici décrit les expériences de cellules diamant-enclume radiales à haute pression et analyse les données connexes, qui sont essentielles pour obtenir la résistance mécanique des nanomatériaux avec une percée significative par rapport à l’approche traditionnelle.

Abstract

Le renforcement mécanique des métaux est le défi de longue date et le sujet populaire de la science des matériaux dans les industries et les universités. La dépendance à la taille de la force des nanométaux a suscité beaucoup d’intérêt. Cependant, caractériser la résistance des matériaux à l’échelle nanométrique inférieure a été un grand défi car les techniques traditionnelles ne deviennent plus efficaces et fiables, telles que la nano-indentation, la compression de micropiliers, la traction, etc. Le protocole actuel utilise des techniques de diffraction des rayons X (XRD) à cellules radiales diamant-enclume (rDAC) pour suivre les changements de contrainte différentielle et déterminer la résistance des métaux ultrafins. On constate que les particules de nickel ultrafines ont une limite d’élasticité plus importante que les particules plus grossières, et le renforcement de la taille du nickel se poursuit jusqu’à 3 nm. Cette découverte vitale dépend énormément de techniques de caractérisation efficaces et fiables. La méthode rDAC XRD devrait jouer un rôle important dans l’étude et l’exploration de la mécanique des nanomatériaux.

Introduction

La résistance à la déformation plastique détermine la résistance des matériaux. La résistance des métaux augmente généralement avec la diminution de la taille des grains. Ce phénomène de renforcement de la taille peut être bien illustré par la théorie traditionnelle de la relation de Hall-Petch du millimètre au régime submicronique ^1,2, qui est basée sur le mécanisme de déformation médié par la dislocation des métaux de taille en vrac, c’est-à-dire que les dislocations s’accumulent aux limites des grains (GO) et entravent leurs mouvements, conduisant au renforcement mécanique des métaux ^3,4.

En revanche, un ramollissement mécanique, souvent appelé relation inverse de Hall-Petch, a été rapporté pour les nanométaux fins au cours des deux dernières décennies 5,6,7,8,9,10. Par conséquent, la force des nanométaux est encore déroutante car un durcissement continu a été détecté pour des tailles de grains allant jusqu’à ~ 10 nm ^11,12, tandis que les cas de ramollissement de la taille en dessous du régime de 10 nm ont également été signalés ^7,8,9,10. La principale difficulté ou défi pour ce sujet débattu est de faire des mesures statistiquement reproductibles sur les propriétés mécaniques des nanométaux ultrafins et d’établir une corrélation fiable entre la force et la taille des grains des nanométaux. Une autre partie de la difficulté vient de l’ambiguïté dans les mécanismes de déformation plastique des nanométaux. Divers défauts ou procédés à l’échelle nanométrique ont été signalés, notamment des dislocations ^13,14, des jumelages de déformation ^15,16,17, des défauts ^{d’empilage 15,18}, une migration GB¹⁹, un glissement GB ^5,6,20,21, une rotation des grains 22,23,24, paramètres de liaison atomique 25,26,27,28, etc. Cependant, celui qui domine la déformation plastique et détermine ainsi la résistance des nanométaux n’est pas encore clair.

Pour ces questions ci-dessus, les approches traditionnelles de l’examen de la résistance mécanique, telles que l’essai de traction²⁹, l’essai de dureté Vickers ^30,31, le test de nano-indentation³², la compression micropilier ^33,34,35, etc. sont moins efficaces parce que la haute qualité de gros morceaux de matériaux nanostructurés est si difficile à fabriquer et que le pénétrateur conventionnel est beaucoup plus grand que la nanoparticule unique de matériaux (pour le mécanique monoparticulaire). Dans cette étude, nous introduisons les techniques radiales DAC XRD 36,37,38 à la science des matériaux pour suivre in situ la contrainte d’élasticité et la texturation de déformation du nanonickel de différentes tailles de grains, qui sont utilisées dans le domaine des géosciences dans des études antérieures. Il a été constaté que le renforcement mécanique peut être étendu jusqu’à 3 nm, beaucoup plus petit que les tailles les plus importantes de nanométaux précédemment rapportées, ce qui élargit le régime de la relation Hall-Petch conventionnelle, ce qui implique l’importance des techniques rDAC XRD pour la science des matériaux.

Protocol

1. Préparation de l’échantillon

1. Obtenir de la poudre de nickel de 3 nm, 20 nm, 40 nm, 70 nm, 100 nm, 200 nm et 500 nm provenant de sources commerciales (voir tableau des matériaux). La caractérisation morphologique est illustrée à la figure 1.
2. Préparer des particules de nickel de 8 nm en chauffant des particules de nickel de 3 nm à l’aide d’une bouilloire à réaction (voir tableau des matériaux).
   1. Mettre ~20 mL d’éthanol absolu et ~50 mg de poudre de nickel de 3 nm dans la bouilloire de réaction. REMARQUE: La solution entière ne doit pas atteindre ~ 70% du volume de la bouilloire.
   2. Chauffer la bouilloire à réaction à 80 °C pendant 24 h.
   3. Refroidir la solution à température ambiante et laisser tomber un peu de solution sur un maillage de cuivre (grille TEM, voir Tableau des matériaux).
   4. Placez le maillage de cuivre séché dans la chambre de microscopie électronique à transmission (TEM) et observez la morphologie de l’échantillon sous un faisceau d’électrons de tension de 200 kV.
      REMARQUE: Le treillis de cuivre a été séché à l’air pendant environ 5 minutes ou a utilisé une lumière de séchage de 5 minutes.
   5. Mesurez manuellement la distribution granulométrique des images TEM.
      REMARQUE: La mesure de la taille des particules peut également être effectuée à l’aide de tout logiciel disponible gratuitement tel que Image J.
   6. Retirez la solution et vaporisez l’éthanol à température ambiante; ensuite, le reste du solide noir est la poudre de nickel pur avec une taille moyenne de particules de 8 nm.
3. Préparer 12 nm de poudre de nickel
   1. Répétez l’étape 1.2, mais remplacez « éthanol absolu » et « 80 °C pendant 24 h » par « isopropanol absolu » et « 150 °C pendant 12 h » pour obtenir la poudre de nickel pur avec la particule moyenne de 12 nm.

2. Mesures DAC XRD radiales haute pression

1. Fabriquer un joint en bore-époxy transparent aux rayons X à l’aide d’une perceuse laser (voir tableau des matériaux).
   1. Préparer des joints de support Kapton (une sorte de plastique)
      REMARQUE: Kapton est un matériau de film polyimide (voir tableau des matériaux).
      1. Coupez le cercle intérieur avec une perceuse laser en utilisant les paramètres mentionnés: 35% de puissance laser, trois passes, 0,4 mm / s (vitesse de coupe).
      2. Découpez le rectangle extérieur en utilisant les paramètres: 80% de la puissance laser, deux passes, 1,2 mm / s (vitesse de coupe). La dimension rectangulaire est de 8 x 1,4 mm.
   2. Préparez des joints en bore-époxy à partir d’un disque de bore plus grand d’un diamètre d’environ 10 mm.
      REMARQUE: Le disque de bore est fabriqué en comprimant le mélange de poudre de bore amorphe et de colle époxy³⁶.
      1. Polir manuellement les disques bruts jusqu’à une épaisseur de 60 à 100 μm avec du papier de verre.
         REMARQUE: Le papier de verre est de ~ 400 mailles à ~ 1000 mailles.
      2. Découpez les cercles intérieurs avec une perceuse laser en utilisant les paramètres mentionnés: 35% de puissance laser, trois passes, 0,4 mm / s (vitesse de coupe).
      3. Découpez le cercle extérieur avec une perceuse laser: 30% de la puissance laser, un passage, 0,4 mm / s (vitesse de coupe). Répétez et arrêtez-vous immédiatement quand il se détache.
   3. Assemblez les joints
      1. Placez un joint de support Kapton (préparé à l’étape 2.1.1) sur une glissière en verre.
      2. Placez un joint au bore percé sur le trou intérieur du joint Kapton. Assurez-vous que l’extrémité la plus grande du joint au bore se trouve au sommet.
      3. Mettez une autre glissière en verre propre sur le dessus. Tenez-le fermement et appuyez dessus jusqu’à ce que le joint soit fermement inséré dans le trou du joint Kapton.
      4. Rangez les joints fabriqués entre deux lames de verre propres et enveloppez-les avec du ruban adhésif pour une utilisation ultérieure.
         REMARQUE: Le diamètre du joint, Ø = taille de culet de diamant + 150 μm. Pour une meilleure reproductibilité, les mêmes configurations peuvent être utilisées (éventuellement avec de petits ajustements si quelque chose ne va pas) pour le perçage et la découpe laser lors de la préparation du joint. Pour une bonne correspondance de taille, le diamètre des joints saisis pour la découpe laser est de Ø + 23 μm tandis que le diamètre du trou intérieur des joints de support Kapton (entré pour la découpe laser) est de Ø - 23 μm.
2. Chargement d’expérience DAC radial
   1. Montez l’ensemble de joints
      1. Sur l’écran de visualisation de l’ordinateur (connecté au microscope optique), marquez un point pour localiser le centre du diamant (le diamant du piston du DAC).
      2. Montez le joint bore-époxy (préparé à l’étape 2.1) et la marque au centre du trou du joint.
      3. Utilisez une glissière en verre pour appuyer sur l’ensemble de joint de sorte que le joint se fixe fermement sur le diamant du piston.
         REMARQUE: Un DAC a deux pièces de diamants identiques. Généralement, le diamant supérieur est appelé diamant de cylindre, et le plus bas est appelé diamant de piston.
   2. Nettoyage et compactage de la configuration du joint
      1. Chargez les échantillons avec une taille de morceau plus petite que le trou du joint de sorte qu’il n’y ait pas de débordement de matériaux sur la surface du joint.
         REMARQUE: Les échantillons ici signifient les matériaux candidats que nous avons étudiés dans nos expériences. Dans cette étude, les échantillons sont des poudres de Ni de différentes tailles et des puces Pt.
      2. Fermez la cellule après le chargement d’un nouvel échantillon pour obtenir une compacité.
   3. Chargement de matériaux mous (comme l’or)
      1. Ne chargez qu’une seule pièce de l’échantillon souple (faites le matériau mou comme une petite fraction des matériaux chargés).
      2. Utilisez des matériaux durs amorphes pour remplir le trou du joint pour une bonne compacité.
   4. Chargement de matériaux de faible numéro atomique (tels que spinelle, pyrope, serpentine)
      1. Mélanger l’échantillon avec 10% Pt ou Au. Remplissez le trou du joint avec le mélange mais sans débordement.
      2. Si nécessaire, mettez des matériaux durs amorphes sur le dessus pour une bonne compacité.
3. Étude de diffraction des rayons X
   1. Montez le joint en bore-Kapton transparent aux rayons X (préparé à l’étape 2.1) d’une épaisseur de 100 μm et un trou de chambre de 60 μm sur le dessus d’un culet de 300 μm de DAC avec le support des argiles.
   2. Placez un petit morceau de puce Pt sur le dessus de l’échantillon de Ni comme calibrant de pression.
      REMARQUE: Aucun milieu de pression n’a été utilisé pour maximiser la contrainte différentielle entre l’axial et le radial.
   3. Utilisez un rayon X synchrotron monochromatique (voir Tableau des matériaux) d’une énergie de 25 ou 30 keV pour mener les expériences de diffraction des rayons X.
   4. Focalisez le faisceau de rayons X sur une surface d’environ 30 x 30 μm² sur l’échantillon.
   5. Collectez les motifs de diffraction des rayons X à des intervalles de pression de 1 à 2 GPa à l’aide d’une plaque d’image en deux dimensions (voir Tableau des matériaux) avec une résolution de 100 μm/pixel. La configuration utilisée est illustrée à la Figure 2 et à la Figure 3.
4. L’analyse expérimentale des données
   1. Traitez chaque image de diffraction des rayons X dans un fichier contenant 72 spectres sur des étapes azimutales de 5° à l’aide de Fit2d 37,38,39,40,41,42.
      REMARQUE: Une image de diffraction bidimensionnelle contient des informations à 360 °. Pour analyser les informations de contrainte et de texture, il est nécessaire de séparer en 72 fichiers avec des informations azimutales à 5° contenues dans chacun d’eux. Fit2d est le logiciel utilisé pour analyser les données de diffraction des rayons X 37,38,39,40,41,42.
   2. Affinez le motif de diffraction avec la méthode Rietveld dans le logiciel MAUD³⁷. La déformation du réseau de chaque plan de réseau a été obtenue en ajustant le motif^37,40.
   3. Calculer la contrainte différentielle et la limite d’élasticité selon la théorie de la déformation du réseau³⁸ et le critère de rendement de von Mises^38,39 après l’étape 2.5.
5. La théorie de la déformation en treillis pour l’analyse expérimentale des données
   1. Déterminer la contrainte différentielle (la différence entre ces composantes maximale (σ₂₂ = σ₃₃) et la contrainte minimale (σ₁₁)) qui fournit une estimation de la limite inférieure de la limite d’élasticité^{d’un matériau 38}, σ_y, en fonction du critère de rendement de von Mises suivant l’équation (1)³⁸ :
      (1) t= σ_{11-σ 33}<2τ= σ_y.
   2. Obtenez la déformation déviatoire Q_hkl dépendante de la direction en mesurant les espacements d de différentes directions de diffraction en suivant l’équation (2)³⁸ :
      (2)
      où d_0° et d_90° sont les espacements d mesurés à partir de Ψ = 0° et Ψ = 90° (l’angle entre le vecteur de diffraction et l’axe de charge), respectivement.
   3. Ensuite, dérivez la valeur de t en utilisant l’équation (3)³⁸ :
      
      où G_R(hkl) et G_v sont les modules de cisaillement des agrégats sous la condition de Reuss (iso-contrainte) et la condition de Voigt (iso-déformation), respectivement; α est le facteur permettant de déterminer le poids relatif des conditions de Reuss et Voigt⁴⁰.
      REMARQUE: Compte tenu des conditions compliquées de contrainte / déformation des expériences actuelles, α = 0,5 est utilisé dans cette étude.
   4. Pour un système cubique, calculer G_R(hkl) et G_vcomme suit en utilisant les équations 4-6 38,40,41 :
      (4)
      (5)
      (6)
      où S_ij sont les conformités élastiques monocristallines et peuvent être obtenues à partir des constantes de rigidité élastique C_ij des matériaux.

3. Mesures TEM

1. Préparer de minces feuilles de Ni sous pression pour la TEM à l’aide d’un système de faisceau d’ions focalisés (FIB) (voir tableau des matériaux). Pour réduire les artefacts possibles lors du fraisage ionique de l’échantillon, déposez une couche de Protection Pt à l’aide du pistolet Pt équipé dans le MEB d’une épaisseur d’environ 1 μm sur la région candidate.
2. Effectuez des mesures TEM sur un microscope électronique à transmission corrigé des aberrations de 300 kV équipé de détecteurs à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF) et à champ lumineux (BF).
3. Prenez des images TEM haute résolution.

Results

Sous compression hydrostatique, les lignes de diffraction des rayons X non roulées doivent être droites et non incurvées. Cependant, sous pression non hydrostatique, la courbure (ellipticité des anneaux XRD, qui se traduit par la non-linéarité des lignes tracées le long de l’angle azimutal) augmente considérablement le nickel ultrafin à des pressions similaires (Figure 4). À une pression similaire, la déformation différentielle du nickel de taille 3 nm est la plus élevée. Les résultats de ré...

Discussion

Les simulations informatiques ont été largement utilisées pour étudier l’effet de la taille des grains sur la résistance des nanométaux ^{5,6,16,17,27,42}. Des luxations parfaites, des dislocations partielles et une déformation GB ont été proposées pour jouer un rôle décisif dans les mécanismes de déformation des nanomatériaux. ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
20 nm Ni	Nanomaterialstore	SN1601	Inflammable
3 nm Ni	nanoComposix		Inflammable
40, 70, 100, 200, 500 nm Ni	US nano	US1120	Inflammable
Éthanol			comme solution pour fabriquer 8 nm
Ni absolu isopropanol			comme solution pour fabriquer 12 nm
Ni Bore amorphe poudre	alfa asear
Maille de cuivre	Pékin Zhongjingkeyi Technology Co., Ltd.		Grille TEM
Colle
expérimentale propre	l’éthanol
Faisceau d’ions focalisé	FEI
Diapositive en verre Ruban
adhésif	Scotch
Kapton	DuPont		Matériau du film polyimide
Perceuse laser			situé dans le laboratoire à haute pression de
faisceau de rayons X synchrotron monochromatique	ALS 12.2.2, source de lumière avancée (ALS), Lawrence Berkeley Laboratoire		Énergie des rayons X : 25-30 keV
Microscope optique	Leica		pour monter le joint et charger les échantillons
Pt poudre	thermofisher	38374
Bouilloire à réaction	Xian Yichuang Co., Ltd.		50 mL
Papier			de verre de 400 mesh à 1000 mesh
Microscopie électronique à transmission	FEI		Titan G2 60-300
Plaque d’image bidimensionnelle	ALS, BL 12.2.2		mar 345