Die meisten kristallinen Materialien sind Polykristalle, wie beispielsweise Metalle. Sie bestehen aus vielen kleinen Kristallkörnern mit unterschiedlichen Gitterorientierungen. Die Grenzfläche zwischen zwei kristallinen Körnern, dh die Korngrenze, ist eine dünne Schicht aus ungeordneten Teilchen mit einer Dicke von etwa einem oder zwei Teilchen.
Die Festigkeit des Polykristalls nimmt zu, wenn die mittlere Korngröße abnimmt, bekannt als das berühmte Hall-Petch-Verhalten. Dieser Trend kehrt sich um, wenn der mittlere Korndurchmesser einen kritischen Wert von 10–15 Nanometern (etwa 50 Atomen) unterschreitet, dh das umgekehrte Hall-Petch-Verhalten. Diese Trends gelten für verschiedene Polykristalle, die aus verschiedenen Atomen und Molekülen bestehen.
Wie sich jedoch die Festigkeit mit der Dicke der ungeordneten Korngrenze ändert, wurde selten gefragt und kaum verstanden, wahrscheinlich weil Polykristalle mit dicken Korngrenzen nicht leicht herzustellen und zu kontrollieren sind. Obwohl diese grundlegende Frage relativ einfach durch Computersimulation untersucht werden kann, fehlt es an diesbezüglicher Forschung.
In den letzten Jahren führten Durchbrüche bei der Herstellung von kristallin-amorphen Verbundmaterialien zu Festkörpern mit verschiedenen hervorragenden Eigenschaften, wie z. B. ultrahochfesten Legierungen. Diese Festkörper können als Polykristalle mit dicken ungeordneten Korngrenzen angesehen werden, aber die Korngrenzendicke kann nicht gut kontrolliert werden und ihr Einfluss auf die Materialfestigkeit bleibt unklar. Darüber hinaus muss noch untersucht werden, wie die Korngröße und Korngrenzendicke aufeinander abgestimmt werden können, um die Festigkeit des Materials zu maximieren.
Diese Fragen wurden kürzlich von Professor Yilong Han vom Fachbereich Physik der Universität für Wissenschaft und Technologie Hongkong (HKUST) und Zhibin Xu, einem Ph.D. Student des HKUST Guangzhou Campus, mit der Teilnahme von Mengmeng Li, einem Ph.D. Student der HKUST, und Professor Huijun Zhang von der School of Materials Science and Technology der Xi’an Jiaotong University,
Ihre Computersimulationen an 2D-Festkörpern verallgemeinerten die Materialfestigkeit von der traditionellen Funktion mit einer Variablen (d. h. Hall-Petch- und umgekehrte Hall-Petch-Beziehungen) zu einer Funktion mit zwei Variablen, nämlich Korngröße und Korngrenzendicke.
Sie beobachteten, dass eine Erhöhung der Dicke der ungeordneten Korngrenzen und eine Verringerung des Korndurchmessers ähnliche Auswirkungen auf die Streckgrenze, also die Festigkeit, hatten, da in beiden Fällen der Anteil an ungeordneter Struktur zunahm. Wenn der durchschnittliche Korndurchmesser größer als etwa 50 Teilchen war, nahm mit zunehmender Dicke der Korngrenze die Festigkeit des Feststoffs anfänglich zu (d. h. das Verfestigungsstadium) und wurde dann geschwächt (das Schwächungsstadium).
Ihre entsprechenden Mechanismen waren das Versetzungsgleiten innerhalb der kristallinen Körner und die Verformung innerhalb der Korngrenzen, die den Mechanismen der Hall-Petch- bzw. inversen Hall-Petch-Beziehungen ähnlich waren. Wenn der Korngrenzendurchmesser weniger als 50 Teilchen betrug, lag die plastische Verformung vollständig innerhalb der Korngrenze und somit fehlte die Verfestigungsstufe.
„Wir finden heraus, wie wir die Korngrenzen richtig verdicken können, um die maximale Festigkeit herkömmlicher Polykristalle zu übertreffen, indem wir die mechanische Festigkeit in einem umfassenderen 2D-Parameterraum systematisch messen. Dies kann die Herstellung von Festkörpern mit höherer Festigkeit leiten“, sagte Zhibin Xu.
„Die Beziehung zwischen Festkörperstruktur und Materialeigenschaften ist ein Schlüsselthema in den Materialwissenschaften und im Maschinenbau. Viel Aufmerksamkeit in diesen Bereichen wird dem praktischen Problem gewidmet, wie geordnete und ungeordnete Strukturen gemischt werden können, um die maximale Festigkeit in echten 3D-Materialien zu erreichen, ohne Analogien oder Verallgemeinerungen zu den klassischen Hall-Petch- und inversen Hall-Petch-Beziehungen zu machen. Wir sind neugieriger auf die Stärke oder andere Eigenschaften in einem umfassenderen Parameterraum“, sagte Yilong Han.
„Physiker verwenden oft einfache Modelle, um allgemeine Verhaltensweisen zu verstehen. Hier haben wir im ersten Schritt nur einfache 2D-Festkörper mit Lennard-Jones-Partikelwechselwirkungen untersucht. Der bei 2D-Festkörpern beobachtete Trend der Materialfestigkeit sollte aufgrund ihrer ähnlichen Verformungsmechanismen auch bei 3D-Festkörpern vorhanden sein.“ Es ist sinnvoll, diese Ergebnisse in Zukunft in einer 3D-Simulation zu testen und zu experimentieren.“
Darüber hinaus ist im Gegensatz zu dem intensiv untersuchten Übergang von Flüssigkeit zu Glas und dem direkten Kollaps von Einkristall zu Glas (dh amorpher Festkörper) der Übergang von Polykristall zu Glas selten untersucht worden. Die frühere Arbeit von Hans Gruppe zeigte zum ersten Mal einen scharfen Polykristall-zu-Glas-Übergang durch Einstellen der Korngröße. Hier ist die Abstimmung der Korngrenzendicke ein alternativer Weg, um den Polykristall-zu-Glas-Crossover zu erreichen, und bietet somit eine neuartige Plattform für die Untersuchung des Polykristall-zu-Glas-Übergangs in der Zukunft.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Open.
Mehr Informationen:
Zhibin Xu et al, Verallgemeinerung des Hall-Petch- und inversen Hall-Petch-Verhaltens durch Abstimmung amorpher Regionen in 2D-Festkörpern, National Science Open (2023). DOI: 10.1360/nso/20220058