Las estructuras mecánicas son tan sólidas como los materiales de los que están hechas. Durante décadas, los investigadores han estudiado los materiales de estas estructuras para ver por qué y cómo fallan. Antes de una falla catastrófica, se forman grietas o dislocaciones individuales, que son señalesque una estructura puede estar debilitándose. Mientras que los investigadores han estudiado las dislocaciones individuales en el pasado, un equipo de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Tennessee y el Laboratorio Nacional Oak Ridge ha permitido comprender cómo se organizan y reaccionan las dislocacionesa nanoescala
"Los metales están hechos de policristales y los cristales tienen átomos ordenados de manera ordenada", explicó el autor principal Jian-Mu Zuo, profesor Ivan Racheff de Ciencia e Ingeniería de Materiales y afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz en Illinois ".A medida que se aplica fuerza en estos metales, el cristal se deslizará y se moverá uno contra el otro. Una estructura como un puente puede tener muchas dislocaciones, que pueden moverse, pero la cantidad de movimiento es tan pequeña que no tiene una consecuenciaSin embargo, como miles o decenas de miles de dislocaciones se enredan dentro de un metal, y producen estrés local. Esta organización puede conducir a una deformación repentina, como una avalancha de nieve. Eso es muy dramático y mucho más difícil de controlar ".
El equipo, que también incluye al físico de materia condensada de Illinois Karin Dahmen, publicó sus resultados en Física de las comunicaciones . El trabajo experimental fue realizado por el Dr. Yang Hu, como parte de su tesis de doctorado.
Hasta este estudio, los investigadores no podían entender el mecanismo detrás de la avalancha de dislocación dentro de una estructura. Sin embargo, el equipo de Illinois descubrió que una serie de dislocaciones se acumulaban formando una presa para prohibir el movimiento. Detrás de la presa hay dislocaciones enredadas. Una vez allíes suficiente presión, se forma una avalancha que hace que la presa ceda y el movimiento repentino de las dislocaciones enredadas, lo que debilita el metal y eventualmente puede conducir a una falla catastrófica. Al tener una mejor comprensión de este proceso, este estudio promete ayudar a desarrollar inclusomateriales más fuertes en el futuro y para predecir mejor cuándo una estructura puede estar en peligro.
Para estudiar las dislocaciones, que parecen cadenas de tan solo 10-9 metros de ancho, siguieron el desarrollo de las avalanchas de dislocación en los nanopilares comprimidos de una aleación de alta entropía HEA. La HEA tiene el mismoestructura promedio como cobre u oro. Pero los átomos están dispuestos de tal manera que permiten a los investigadores realizar mediciones simultáneas y correlacionar el movimiento de dislocación con la respuesta mecánica y determinar exactamente dónde ocurre la avalancha. Al identificar las bandas de dislocación, los investigadores puedenmira lo que sucede antes, durante y después de la avalancha.
"La gente ha entendido cómo se mueven las dislocaciones individuales, pero hasta este punto no han entendido cómo se mueven repentinamente juntas", señaló Zuo. "Nuestra innovación es utilizar un nuevo material HEA para estudiar un problema muy antiguo ypara desarrollar esta técnica para hacerlo "
Debido a que las dislocaciones generalmente se estructuran a una distancia de micras piense en la red de grietas en una capa de hielo después de caminar sobre ella, hace que sea difícil identificar un solo evento al mirarlos dentro de un microscopio que solo funciona con muestras delgadasdentro de un microscopio electrónico de transmisión, el grosor de la muestra suele ser inferior a un micrón.
"En un metal convencional, las dislocaciones están demasiado separadas de lo que podemos ver a la vez, por lo tanto, desaparecen en la superficie", explicó Zuo. "Además, un metal deformado tiene racimos de dislocaciones, pero solo unas pocas sonrealmente activo. Por eso, algunos académicos han comentado que cuando la gente observa la deformación posterior en el metal, es como visitar un cementerio de luxación ".
Para presenciar una avalancha única completa, Zuo y su equipo necesitaban encontrar un material donde la dislocación interactúe en una escala mucho más pequeña. El HEA es un nuevo tipo de aleación compuesta por cinco elementos metálicos diferentes Al0.1CoCrFeNi.Debido a que cada átomo de metal tiene un tamaño diferente y el cristal está distorsionado, ralentiza la dislocación, lo que permite almacenar muchas dislocaciones y una avalancha en un volumen relativamente pequeño.
Los investigadores de Illinois pudieron medir la dislocación a través de una técnica llamada nanoindentación. Tomaron un trozo de HEA y usaron un haz de iones para fabricar un nanopilar y aplicar la fuerza al nanopilar con una pequeña punta de diamante plana de un nanoindenter.
"Este material nos permite ver las dislocaciones en la nanoescala 500 nanómetros", dijo Zuo, explicando el proceso. "Tenemos un laboratorio mecánico que aplica una fuerza a una muestra de prueba dentro de un microscopio electrónico. A medida que se aplica la tensión, la muestra se deforma. Cuando la tensión excede la tensión requerida para que la dislocación se mueva dentro del nanopilar, la dislocación se multiplicará. A medida que la dislocación se mueve y encuentra una resistencia, se ralentizan y se enredan y forman una banda de dislocación.del estrés como el flujo de agua, entonces la avalancha de dislocación es como una presa que se rompe y el agua se acaba de repente. El HEA hace posible la observación ".
Los resultados del proceso son dos mediciones: primero una medición mecánica, que permite a los investigadores estudiar cuánta fuerza se necesita para que se muevan las dislocaciones y en qué medida, y en segundo lugar, las imágenes electrónicas para capturar el movimiento de dislocación en unvideo. Ningún estudio ha podido combinar imágenes de electrones y mediciones de fuerza mecánica para estudiar avalanchas de dislocación.
"De los estudios acumulativos anteriores, sabíamos cómo se producen las dislocaciones y hemos podido estudiar lo que quedó atrás", dijo Zuo. "Este estudio proporciona una respuesta crítica sobre cómo interactúan las dislocaciones".
Zuo agrega que este tipo de medición se puede usar para desarrollar teoría y modelos computacionales que se pueden usar para predecir cómo se comportarán los materiales bajo cierto estrés.
"Eso es importante porque la falla catastrófica comienza con este tipo de deformación repentina", dijo Zuo. "Podremos predecir mejor la acción antes de que haya una falla catastrófica. Eso a su vez debería conducir al desarrollo de materiales mucho más fuertes".
Este estudio coincide con grandes esfuerzos en todo el campus de Illinois para usar HEA para aplicaciones de reactores nucleares y alta temperatura.
"Los HEA son estables a altas temperaturas y pueden soportar mucha tensión", dijo Zuo. "Si entendemos la estructura de dislocación, ayudará a desarrollar materiales para aplicaciones muy difíciles".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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