PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Mechanizmy odkształcenia materiałów nanostrukturalnych

Autorzy
Identyfikatory
Warianty tytułu
EN
The deformation mechanisms of nanostructured materials
Języki publikacji
PL
Abstrakty
PL
Nanomateriały stanowią obecnie ważną grupę materiałów znajdujących zastosowanie prawie we wszystkich dziedzinach przemysłu. W badaniach nanomateriałów stwierdzono, że zależność Halla-Petcha nie jest spełniona dla całego zakresu 1÷100 nm. W przypadku nanomateriałów o wielkości ziaren poniżej pewnej wartości krytycznej zaobserwowano efekt zmniejszenia twardości wraz ze zmniejszeniem się wielkości ziarna. Z tego względu wiele badań poświęcono poznaniu ich budowy i mechanizmów odkształcania. Badania prowadzone za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego wykazały, że nanokrystaliczne materiały są zbudowane z małych krystalitów o zróżnicowanej orientacji krystalograficznej, oddzielonych od siebie szerokokątowymi granicami ziaren, w których są obserwowane pustki (rys. 1). Pustki te były wyraźnie większe w miejscach styku trzech ziaren, tzw. triple junction. Ze względu na istotny wzrost udziału granic ziaren (rys. 2) wraz ze zmniejszaniem się wielkości ziaren oraz mniejszą gęstość atomową w porównaniu z ziarnami, najczęstszym modelem struktury nanomateriałów jest model dwufazowy składający się fazy wewnętrznej ziarna i fazy granicy ziarna (rys. 3). Jednym z wyjaśnień zjawiska zmniejszenia twardości nanomateriałów jest zwiększenie w budowie nanomateriału udziału granic ziaren (rys. 2), których gęstość jest znacznie mniejsza niż gęstość ziaren oraz odmienne mechanizmy odkształcania. Badania doświadczalne, symulacje dynamiki molekularnej oraz modele odkształcenia nanokrystalicznych materiałów wykazały, że odkształcanie nanomateriałów przebiega na skutek poślizgu wzdłuż granic ziaren, dyfuzji po granicy ziaren, dyfuzji w ziarnach, rotacji ziaren, powstania pasm ścinania, generowania dyslokacji przez granice ziaren, mechanicznego bliźniakowania, a także w wyniku ruchu dyslokacji wewnątrz ziaren, z tym, że ten ostatni mechanizm zanika wraz ze zmniejszaniem się wielkości krystalitów.
EN
Nanomaterials are nowadays very important group of materials which are used in most branches of industry. The investigations of the strength of nanomaterials showed that the Hall-Petch law is not valid in the same form for the whole range from 1 to 100 nm. When the grain size falls below the critical size the effect of decrease of strength (softening) is observed. Therefore, many studies were performed to learn their structure and deformation mechanisms. Investigation performed by means of high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) showed that nanocrystalline materials consist of small crystallites of different crystallographic orientations separated by the grain boundaries of large angle type, which consists of pores (Fig. 1). These pores have bigger size at triple junctions. Due to low atomic density of grain boundary and an increase of grain boundary fraction with decrease of grain size (Fig. 2), the most frequent model of nanomaterials structure is two-phase model which consists of the grain interior phase and the grain boundary phase (Fig. 3). One of the explanation of the softening effect of the nanostructured materials is the increase of fraction of grain boundary (Fig. 2), whose density and strength is lower than those of grains. Another explanation says that the softening effect is due to deformation mechanisms that are different from those present in their coarse-grained counterparts. Experimental investigations, molecular dynamic simulation and many models showed that deformation of nanocrystalline materials develops via grain boundary sliding, grain boundary diffusion, shear-band formation, mechanical twinning, dislocation climb, rotation at triple junctions, grain-boundary dislocation creation and annihilation and also via dislocation motion inside grain.
Rocznik
Strony
844--850
Opis fizyczny
Bibliogr. 65 poz., rys.
Twórcy
autor
  • Instytut Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego, PAN, Gdańsk, akr@imp.gda.pl
Bibliografia
  • [1] Feynman R. P.: There’s plenty of room at the bottom. Engineering and Science, California Institute of Technology (1960) www.zyvex.com/nanotech/ feynman.html.
  • [2] Taniguchi N.. On the basic concept of nanotechnology. Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering (1974).
  • [3] Drexler K. E.: Engines of creation: The coming era of nanotechnology. Anchor Press/Doubleday, New York (1986).
  • [4] Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology. NSET Workshop Report, Edited by Mihail C. Roco and William Sims Bainbridge, March (2001).
  • [5] Final Report, Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties. The Royal Society & The Royal Academy of Engineering (2004) http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm.
  • [6] MNiSW Narodowa Strategia dla Polski – Raport, Nanonauka i nanotechnologia. Warszawa (2006).
  • [7] Dobrzański L. A.: Współczesne tendencje rozwojowe nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. Inżynieria Materiałowa 6 (2003) 271÷278.
  • [8] Meyers M. A., Mishra A., Benson D. J.: Mechanical properties of nanocrystalline materials. Progress in Materials Science 51 (2006) 427÷556.
  • [9] Roco M. C.: Reviews of national research programs in nanoparticle and nanotechnology research in the U.S.A.. J. Aerosol Sci. 29 (1998) 749÷751.
  • [10] Gutkin M. Yu., Ovid’ko I. A.: Plastic deformation in nanocrystalline materials. Ed. R. Hull, Springer-Verlag, Berlin (2004).
  • [11] Chokshi A. H., Rosen A., Karch J., Gleiter H.: On the validity of the Hall- Petch relationship in nanocrystalline materials. Scripta Metallurgica 23 (1989) 1679÷1684.
  • [12] Gleiter H.: Nanocrystalline materials. Progress in Materials Science 33 (1989) 223÷315.
  • [13] Palumbo G., Thorpe S. J., Aust K. T.: On the contribution of triple junctions to the structure and properties of nanocrystalline materials. Scripta Metallurgica et Materialia 24 (1990) 1347÷1350.
  • [14] Nieh T. G., Wadsworth J.: Hall-Petch relation in nanocrystalline solids. Scripta Metallurgica et Materialia 25 (1991) 955÷958.
  • [15] Ke M., Hackney S. A., Milligan W. W., Aifantis E. C.: Observation and measurement of grain rotation and plastic strain in nanostructured metal thin films. Nanostructured Materials 5 (1995) 689÷697.
  • [16] Kim H. S., Bush M. B.: The effects of grain size and porosity on the elastic modulus of nanocrystalline materials. NanoStructured Materials 11 (1999) 361÷367.
  • [17] Masumura R. A., Hazzledine P. M., Pande C. S.: Yield stress of fine grained materials. Acta Mater. 46 (1998) 4527÷4534.
  • [18] Ichikawa S., Miyazawa K., Ichinose H., Ito K.: The microstructure of deformed nanocrystalline Ag and Ag/Fe alloy. Nanostructured Materials 11 (1999) 1301÷1311.
  • [19] Nalwa H. S.: Handbook of nanostructured materials and nanotechnology. Academic Press (2000).
  • [20] Suryanarayana C., Koch C.C., Nanocrystalline materials – Current research and future directions. Hyperfine Interactions 130 (2000) 5÷44.
  • [21] Capolungo L., Jochum C., Cherkaoui M., Qu J.: Homogenization method for strength and inelastic behaviour of nanocrystalline materials. International Journal of Plasticity 21 (2005) 67÷82.
  • [22] Carsley J. E., Ning J., Milligan W. W., Hackney S. A., Aifantis E. C.: A simple, mixtures-based model for the grain size dependence of strength in nanophase metals. NanoStructured Materials 5 (1995) 441÷448.
  • [23] Kumar K. S., Suresh S., Chisholm M. F., Horton J. A., Wang P.: Deformation of electrodeposited nanocrystalline nickel. Acta Materialia 51 (2003) 387÷405.
  • [24] Youssef K. M., Scattergood R. O., Murty K. L., Koch C. C.: Nanocrystalline Al-Mg alloy with ultrahigh strength and good ductility. Scripta Materialia 54 (2006) 251÷256.
  • [25] Pradhan S. K., Chakraborty T., Gupta S. P. Sen, Suryanarayana C., Frefer A., Froes F. H.: X-ray powder profile analyses on nanostructured niobium metal powders. Nanostructured Materials 5 (1995) 53÷61.
  • [26] Chen D.: Structural modelling of nanocrystalline materials. Computational Materials Science 3 (1995) 327÷333.
  • [27] Noskova N. I.: Deformation of nanocrystalline pure metals and alloys based on Fe and Al. Journal of Alloys and Compounds 434-435 (2007) 307÷310.
  • [28] Nieh T. G., Wang J. G.: Hall-Petch relationship in nanocrystalline Ni and Be-B alloys. Intermetallics 13 (2005) 377÷385.
  • [29] Nogués J., Rao K. V., Inoue A., Suzuki K.: A STM study of the microstructure of amorphous and nanocrystalline Fe-Zr-B-Cu ribbons. Nanostructured Materials 5 (1995) 281÷287.
  • [30] Kim H. S., Estrin Y.: Phase mixture modelling of the strain rate dependent mechanical behaviour of nanostructured materials. Acta Mater. 53 (2005) 765÷772.
  • [31] Capolungo L., Cherkaoui M., Qu J.: On the elastic-viscoplastic behaviour of nanocrystalline materials. International Journal of Plasticity 23 (2007) 561÷591.
  • [32] Zhou J., Xu N., Zhu R., Zhang Zh., He T., Cheng L.: A polycrystalline mechanical model for bulk nanocrystalline materials using the energy approach. Journal of Materials Processing Tech. 209 (2009) 5407÷5416.
  • [33] Zhou J., Li Y. L., Zhu R. T., Zhang Z. Z.: The grain size and porosity dependent elastic moduli and yield strength of nanocrystalline ceramics. Mater. Sci. Eng. A 445-446 (2007) 717÷724.
  • [34] Zhou J., Li Y. L., Zhu R. T., Zhang Z. Z.: A constitutive model for the mechanical behaviours of bcc and fcc nanocrystalline metals over a wide strain rate range. Mater. Sci. Eng. A 480 (2008) 419÷427.
  • [35] Zhou Y., Erb U., Aust K. T., Palumbo G.: The effects of triple junctions and grain boundaries on hardness and Young’s modulus in nanostructured Ni-P. Scripta Materialia 48 (2003) 825÷830.
  • [36] Li J., Weng G. J.: A secant-viscosity composite model for the strain-rate sensitivity of nanocrystalline materials. Int. J. Plast. 23 (2007) 2115÷2133.
  • [37] Fu H.-H., Benson D. J., Meyers M. A.: Analytical and computational description of effect of grain size on yield stress of metals. Acta Mater. 49 (2001) 2567÷2582.
  • [38] Fu H.-H., Benson D. J., Meyers M. A.: Computational description of nanocrystalline deformation based on crystal plasticity. Acta Mater. 52 (2004) 4413÷4425.
  • [39] Conrad H., Narayan J.: On the grain size softening in nanocrystalline materials. Scripta Mater. 42 (2000) 1025÷1030.
  • [40] Aifantis E. C.: Deformation and failure of bulk nanograined and UFG materials. Mater. Sci. Eng. A 503 (2009) 190÷201.
  • [41] Jiang B., Weng G. J.: A theory of compressive yield strength of nanograined ceramics. Int. J. Plast. 20 (2004) 2007÷2026.
  • [42] Mercier S., Molinari A., Estrin Y.: Grain size dependence of strength of nanocrystalline materials as exemplified by copper: an elastic-viscoplastic modelling approach. J. Mater. Sci. 42 (2007) 1455÷1465.
  • [43] Ovid’ko I. A.: Review on the fracture processes in nanocrystalline materials. J. Mater. Sci. 42 (2007) 1694÷1708.
  • [44] Gutkin M. Yu., Ovid’ko I. A., Pande C. S.: Theoretical models of plastic deformation processes in nanocrystalline materials. Rev. Adv. Mater. Sci. 2 (2001) 80÷102.
  • [45] Qing X., Xingming G.: The scale effect on the yield strength of nanocrystalline materials. International Journal of Solids and Structures 43 (2006) 7793÷7799.
  • [46] Chokshi A. H.: An analysis of creep deformation in nanocrystalline materials. Scripta Materialia 34 (1996) 1905÷1910.
  • [47] Markmann J., Bunzel P., Rosner H., Liu K. W., Padmanabhan K. A., Birringer R., Gleiter H., Weissmuller J.: Microstructure evolution during rolling of inert-gas condensed palladium. Scripta Materialia 49 (2003) 637÷644.
  • [48] Fan G. J., Chooa H., Liawa P. K., Lavernia E. J.: A model for the inverse Hall-Petch relation of nanocrystalline materials. Materials Science and Engineering A 409( 2005) 243÷248.
  • [49] Tjong S. C., Chen H.: Nanocrystalline materials and coatings. Materials Science and Engineering R 45 (2004) 1÷88.
  • [50] Gleiter H.: Nanostructured materials: Basic concepts and microstructure. Acta Mater. 48 (2000) 1÷29.
  • [51] Yamakov V., Wolf D., Phillpot S. R., Gleiter H.: Grain-boundary diffusion creep in nanocrystalline palladium by molecular dynamics simulation. Acta Materialia 50 (2002) 61÷73.
  • [52] Cairney J. M., Tsukano R., Hoffman M. J., Yang M.: Degradation of TiN coating under cyclic loading. Acta Materialia 52 (2004) 3229÷3237.
  • [53] Jayaram V., Bhowmick S., Xie Z.-H., Math S., Hoffman M., Biswas S. K.: Contact deformation of TiN coatings on metallic substrates. Materials Science & Engineering A 423 (2006) 8÷13.
  • [54] Van Swygenhoven H., Caro A., Farkas D.: Grain boundary structure and its influence on plastic deformation of polycrystalline FCC metals at the nanoscale: a molecular dynamics study. Scripta Mater. 44 (2001) 1513÷1516.
  • [55] Van Swygenhoven H., Derlet P. M., Frøseth A. G.: Stacking fault energies and slip in nanocrystalline metals. Nature Materials 3 (2004) 399÷403.
  • [56] Hahn H., Mondal P., Padmanabhan K. A.: Plastic deformation of nanocrystalline materials. NanoStructured Materials 9 (1997) 603÷606.
  • [57] Chen M., Ma E., Hemker K. J., Sheng H., Wang Y., Cheng X.: Deformation twinning in nanocrystalline aluminum. Science 300 (2003) 1275÷1277.
  • [58] Rosner H., Markmann J., Weissmuller J.: Deformation twinning in nanocrystalline Pd. Philosophical Magazine Letters 84 (2004) 321÷334.
  • [59] Bobylev S. V., Gutkin M. Yu., Ovid’ko I. A.: Transformations of grain boundaries in deformed nanocrystalline materials. Acta Materialia 52 (2004) 3793÷3805.
  • [60] Grabski M. W.: Mobility of dislocations in grain boundaries. Journal De Physique 49 (1988) C5-497÷C5-506.
  • [61] Hahn H., Padmanabhan K. A.: Mechanical response of nanostructured materials. NanoStructured Materials 6 (1995) 191÷200.
  • [62] Wang N., Wang Z., Aust K. T., Erb U.: Effect of grain size on mechanical properties of nanocrystalline materials. Acta Metall. Mater. 43 (1995) 519÷528.
  • [63] Cai B., Kong Q. P., Lu L., Lu K.: Interface controlled diffusional creep of nanocrystalline pure copper. Scripta Materialia 41 (1999) 755÷759.
  • [64] Liao X. Z., Zhou F., Lavernia E. J., Srinivasan S. G., Baskes M. I., He D. W., Zhu Y. T.: Deformation mechanism in nanocrystalline Al: Partial dislocation slip. Applied Physics Letters 83 (2003) 632÷634.
  • [65] Jia D., Ramesh K. T., Ma E.: Effects of nanocrystalline and ultrafine grain sizes on constitutive behaviour and shear bands in iron. Acta Materialia 51 (2003) 3495÷3509.
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-BPL8-0021-0037
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.