Изучен эффект усиления в градиентной наноструктурированной меди
Появление гетерогенных наноструктурированных металлов открывает захватывающие возможности для достижения необычайных механических свойств. Например, недавно ученые обратили внимание на градиентную наноструктурированную медь (Cu), которая явилась представителем выдающегося класса гетерогенных наноструктурированных металлов. Причиной оказался тот факт, что такая медь обладает превосходной дополнительной прочностью по сравнению с нерадиоактивными аналогами.
Однако механистическое происхождение дополнительной силы, или так называемый эффект усиления, обусловленный пластически неоднородной деформацией в гетерогенных наноструктурах, долгое время оставался неуловимым, даже несмотря на то, что велись тщательные и всесторонние исследования на более фундаментальном уровне эффекта с применением испытательного оборудования.
В своей новой работе ученые решили использовать комбинацию контролируемой обработки материала, измерения обратного напряжения, характеристики микроструктуры дислокаций и моделирования пластичности градиента деформации, чтобы разгадать происхождение дополнительной прочности в прототипной градиентной нанообработанной меди. Вначале были измерены обратные и эффективные напряжения меди с различными градиентами толщины нанотвина, или нанометровой двойной плоскости из трех атомных плоскостей. Затем их сравнили с напряжениями однородного нанотвина меди с его различными равномерными толщинами.
В результате ученые обнаружили, что дополнительная прочность градиентной нанообработанной меди обусловлена главным образом дополнительным обратным напряжением, возникающим в результате градиента толщины нанотрубок, в то время как эффективное напряжение почти не зависит от градиентных структур. Комбинированный эксперимент и моделирование пластичности градиента деформации показал, что увеличение структурного градиента исследуемого объекта приводит к увеличению градиента пластической деформации, тем самым повышая дополнительное обратное напряжение.
Градиент пластической деформации достигается за счет накопления геометрически необходимых дислокаций внутри необычного типа неоднородной дислокационной структуры в виде пучков концентрированных дислокаций. Такая гетерогенная дислокационная структура создает микроскопические внутренние напряжения, приводящие к дополнительному обратному напряжению в градиентной нанообработанной меди.
Таким образом, эта работа позволила ученым установить фундаментальную связь между градиентной структурой и дополнительной прочностью в градиентной нанообработанной меди посредством механических связей градиента пластической деформации, гетерогенной дислокационной структуры, микромасштабного внутреннего напряжения и дополнительного обратного напряжения.
Поэтому ученые стали на шаг ближе к оформлению общего подхода к раскрытию механизмов усиления в гетерогенных наноструктурированных материалах. Эта комбинированная исследовательская основа может быть применена для ускорения рационального проектирования гетерогенных наноструктурированных металлов с повышенными механическими характеристиками.
