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Geheimer Deformationsmechanismus von nanokristallinem Aluminium

Nanokristalline Metalle mit einer Korngröße von weniger als 100 nm haben in der Regel einzigartige Eigenschaften, die besser sind als vergleichbare grobkörnige Metalle. Aluminium (Al) ist ein vielseitig einsetzbares Metall. Aufgrund seiner hohen spezifischen Festigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit gilt es als unverzichtbarer technischer Werkstoff. 

Um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern, haben einige Forscher versucht, Al mit nanoskaligen Korngrößen herzustellen. Die Reduzierung der Korngröße auf den Nanometerbereich führt zu einer extrem hohen Festigkeit, die einen einzigartigen plastischen Verformungsmechanismus auslösen kann, der bei grobkörnigen Materialien nicht beobachtet wird. Fast alle Berichte beziehen sich jedoch auf ultrafeines kristallines Aluminium mit einer Korngröße von 100 nm bis 1 µm, und es gibt nur wenige Berichte über die mechanischen Eigenschaften von nanokristallinem Al in Volumen.

Geheimer Deformationsmechanismus von nanokristallinem Aluminium

Die University of Qatar und die University of Minnesota synthetisierten nanokristallines Al durch in-situ-Konsolidierung im Prozess des Flüssigstickstoff- und Kugelmahlens bei Raumtemperatur. Studien haben gezeigt, dass die Zugeigenschaften durch die Versetzungen der größeren nanokristallinen Körner und der Kristallkörner verursacht werden. Die partiellen Versetzungen der kleineren nanokristallinen Körner und die durch Stapelfehler kontrollierten Verformungszwillinge werden bestimmt.

Die Forscher analysierten das Zugverhalten von nanokristallinem Al und korrelierten es mit den strukturellen Eigenschaften der Nanostruktur. Im Vergleich zu herkömmlichem grobkörnigem handelsüblichem Reinaluminium weist nanokristallines Aluminium eine extrem hohe Zugfestigkeit, Kaltverfestigungsrate und Duktilität auf. Die Zugfestigkeit dieses nanokristallinen Al-Volumens ist mindestens zehnmal höher als die Festigkeit von handelsüblichem grobkörnigem Reinaluminium. Die durchschnittliche Streckgrenze der nanokristallinen Al-Probe beträgt 375 MPa, die durchschnittliche Zugfestigkeit beträgt 410 MPa und die Gesamtdehnung beträgt 10%. Erreichte ultrahohe Streckgrenze und Zugfestigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität und Kaltverfestigungseigenschaften.

Die Studie ergab, dass die durchschnittliche Dehnung und die Gesamtdehnung der nanokristallinen Al-Proben 4.5% bzw. 10% betrug. Das nanokristalline Al zeigt nach dem Fließen einen höheren Kaltverfestigungsindex von 0.132 als das grobkörnige Al. Unter Verwendung von HR-TEM zur Beobachtung relativ kleiner Nanokristallkörner (10-25 nm) wird festgestellt, dass es Verformungszwillinge in den Nanokristallen gibt. Die partiellen Versetzungen und Stapelfehler, die von den Korngrenzen der {111}-Gleitebene emittiert werden, können die Bildung dieser Verformungszwillinge fördern. Die extrem hohe Festigkeit von nanokristallinem Al wird auf die kleine Korngröße und Verformungszwillinge zurückgeführt. Die Versetzungsdichte der im Zugversuch gebildeten großen Nanopartikel ist hoch, während die Verformungszwillinge in den kleinen nanokristallinen Körnern hoch sind, was der Hauptgrund für den hohen n-Wert und die gute Duktilität sein kann.

Im Allgemeinen wurde in dieser Arbeit nanokristallines reines Aluminium mit hoher Stapelfehlerenergie hergestellt und TEM bzw. mechanische Eigenschaften analysiert. Der Fokus lag auf der Zugfestigkeit von nanokristallinem Al durch Korngröße und verschiedene Verformungsmechanismen. Auswirkungen auf die Leistung. Die Auswirkungen von Verformungszwillingen und anderen plastischen Verformungsmechanismen auf die Zugeigenschaften von nanokristallinem Al werden beschrieben. Diese Studie liefert eine Referenz für den nachfolgenden Verstärkungsmechanismus von Aluminiumlegierungen.

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