Ao realizar testes micro-mecânicos em cristais únicos de níquel, Os pesquisadores de materiais ANSTO conseguiram derivar as propriedades de volume de um material policristalino de uma forma que é útil para a engenharia.

As propriedades de tração são geralmente extraídas de modelos matemáticos computacionais ou sofisticados após indentação ou teste de micro-cantilever, quando o volume de material disponível é pequeno, como no caso de multicamadas de filme fino, materiais irradiados com íons e revestimentos de superfície.

Em um artigo publicado no International Journal of Plasticity, os investigadores liderados pelo cientista sênior da ANSTO, Dr. Dhriti Bhattacharyya, relataram os resultados dos testes de microtensão in situ para avaliar os efeitos combinados da taxa de deformação e orientação no comportamento de deformação em cristais únicos de níquel.

"Embora diferentes orientações fossem conhecidas por terem diferentes pontos fortes, queríamos determinar o comportamento de tensão / deformação puxando ao longo de uma direção do cristal ou de outra e se a taxa de deformação, ou taxa de deformação, teve efeitos diferentes em direções diferentes, "disse Bhattacharyya.

A sensibilidade à taxa de deformação é um fenômeno bem conhecido em testes macroscópicos, mas não é bem compreendido em nível microscópico, " ele disse.

Além de contribuir para um entendimento fundamental da deformação mecânica em escala microscópica, a economia de custo potencial de extrapolar propriedades macro usando amostras de tamanho mícron é significativa quando comparada com amostras padrão de tamanho milimétrico, que às vezes são impossíveis de obter no caso de filmes finos e materiais de superfície modificada.

"Escolhemos o teste de tração porque, para quase todos os materiais que você deseja saber como o material funciona sob tensão, "disse Bhattacharyya.

Eles descobriram que puxar orientações específicas do cristal faz a diferença para a força final, ductilidade e a forma como o cristal deformado.

Em materiais policristalinos, porque cada grão tem uma orientação diferente, algum tipo de média é usado para determinar as propriedades do grão

Nestes experimentos, o efeito da taxa de deformação e orientação do cristal foram medidos em 10 amostras com tamanho de 12 mícrons.

Dr. Alan Xu puxou as amostras usando uma máquina de teste micromecânica de última geração ao longo de uma direção perpendicular à face cúbica da célula unitária de cristal (100) e ao longo da diagonal da face da célula unitária (110) e mediu o resposta.

As orientações foram escolhidas devido à expectativa de deslizamento múltiplo em diferentes números de sistemas de deslizamento.

“Encontramos comportamentos diferentes tanto em termos de deslocamento, como a forma está deformando, mas também em termos da curva de tensão / deformação, "disse Xu.

O alongamento das [110] amostras (como mostrado acima no vídeo) foi quase o dobro das [100] amostras.

A curva de tensão / deformação revelou que a amostra orientada para [110] exibiu um pico de tensão inicial, seguido de amolecimento, um vale de fundo plano, um endurecimento secundário e pico e finalmente amolecimento e falha.

"Nesta amostra, o deslizamento ocorre como o leque de uma pilha de cartas, "disse Bhattacharyya.

Acredita-se que o pico duplo em uma curva de tensão / deformação seja um fenômeno único.

Os investigadores atribuíram isso a um deslizamento inicial por uma série de etapas de deslizamento paralelas ao longo de todo o comprimento de referência. Contudo, uma vez que a tensão de fluxo foi aumentada devido ao endurecimento por deformação neste plano, acompanhado por uma rotação do cristal, um segundo sistema de deslizamento em um plano diferente foi ativado.

A amostra orientada [100] desliza em pelo menos dois planos diferentes inicialmente (como mostrado no vídeo acima); seguido por quatro sistemas de deslizamento possíveis. Progressivamente, mais etapas de deslizamento se formaram em vários planos de deslizamento em torno da região do pescoço para acomodar a tensão e a amostra fraturada em forma de lâmina de faca.

A difração de retroespalhamento por feixe de elétrons foi usada para identificar a orientação dos cristais.

"O quanto os cristais se desviam de sua orientação original é um indicador de quanto o próprio cristal girou, "disse Xu.

"Puxar ao longo de ambas as orientações mostrou que a ductilidade aumentou duas vezes ao longo da diagonal da face, o que foi interessante, "disse Bhattacharyya.

A tensão de cisalhamento crítica resolvida (CRSS), isso é, a tensão de cisalhamento mínima necessária para a deformação plástica ao longo de certo plano, foi calculado a partir da tensão de escoamento das amostras de cristal único orientado [100] e [110] como sendo ~ 73 MPa e ~ 63 MPa, respectivamente.

O ligeiro desvio desses valores dos valores de CRSS para o níquel foi considerado como atribuível a efeitos devido à diferença no tamanho e na densidade de deslocamento inicial. A densidade de deslocamento se refere ao número de deslocamentos em um volume unitário de um material cristalino.

"Importante, a sensibilidade da taxa de deformação calculada foi encontrada na mesma ordem de magnitude que as amostras macroscópicas de níquel, "disse Bhattacharyya.

O pesquisador de materiais da ANSTO, Michael Saleh, usou a teoria de Taylor de plasticidade policristal e a teoria Hall-Petch de reforço de contorno de grão com os dados de tensão de deformação de fluxo de amostras experimentais de cristal único para obter sensibilidades de tensão de deformação aproximadas para policristais.

"Houve um acordo razoável entre a curva de fluxo prevista e a curva experimental, "disse Saleh, que é especialista em modelagem computacional.

"Se quiséssemos obter a tensão de fluxo para um tamanho de grão de 100 mícrons, podemos fazer isso por meio desse tipo de modelagem usando a teoria da plasticidade, porque a resposta em microescala de cristais únicos complementa a resposta em macroescala. "

A próxima etapa da pesquisa envolverá o teste de materiais irradiados com íons sob condições de teste semelhantes.