機(jī)械結(jié)構(gòu)與制造它們的材料一樣健全。幾十年來，研究人員一直在研究這些結(jié)構(gòu)的材料，以了解它們失效的原因和方 在發(fā)生災(zāi)難性故障之前，會形成單獨(dú)的裂縫或位錯，這些信號表明結(jié)構(gòu)可能會減弱。雖然研究人員過去曾研究過個別錯位，但伊利諾伊大學(xué)厄本那 - 香檳分校，田納西大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究小組已經(jīng)能夠了解位錯在納米尺度上的組織和反應(yīng)。

“金屬是由多晶體制成的，晶體的原子排列整齊有序，”主要作者Jian-Mu Zuo，Ivan Racheff材料科學(xué)與工程教授以及伊利諾伊州Frederick Seitz材料研究實(shí)驗(yàn)室的附屬機(jī)構(gòu)解釋說。“當(dāng)在這些金屬中施加力時，晶體會滑動并相互移動。像橋梁這樣的結(jié)構(gòu)可能會有很多位錯，可能會移動，但運(yùn)動量很小，它沒有然而，由于數(shù)千或數(shù)萬個位錯在金屬內(nèi)纏結(jié)，并且它們產(chǎn)生局部應(yīng)力。這種組織可能導(dǎo)致突然變形，如雪崩。這非常引人注目并且難以控制。

該團(tuán)隊(duì)還包括伊利諾伊州濃縮物質(zhì)學(xué)家Karin Dahmen，在通信物理學(xué)中發(fā)表了成果。實(shí)驗(yàn)工作由楊虎博士完成，作為博士論文的一部分。

在這項(xiàng)研究之前，研究人員無法理解結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯雪崩背后的機(jī)制。然而，伊利諾伊州的研究小組發(fā)現(xiàn)，一系列的脫臼堆積形成一個大壩以阻止運(yùn)動。大壩后面是混亂的混亂。一旦有足夠的壓力，雪崩形成導(dǎo)致大壩讓位并且糾纏位錯的突然移動，這會削弱金屬并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的失敗。通過更好地了解這一過程，本研究有望在未來幫助開發(fā)更強(qiáng)大的材料，并更好地預(yù)測結(jié)構(gòu)何時處于危險之中。

為了研究看起來像小到10-9米寬的弦的位錯，他們跟隨高熵合金(HEA)的壓縮納米柱中的位錯雪崩的發(fā)展。HEA具有與銅或金相同的平均結(jié)構(gòu)。但原子的排列方式允許研究人員同時進(jìn)行測量，并將位錯運(yùn)動與機(jī)械響應(yīng)相關(guān)聯(lián)，并精確確定雪崩發(fā)生的位置。通過識別位錯帶，研究人員能夠觀察雪崩之前，期間和之后發(fā)生的事情。

“人們已經(jīng)理解了個別的錯位是如何發(fā)生的，但直到現(xiàn)在他們還沒有理解他們突然一起移動的方式，”左說。“我們的創(chuàng)新是使用一種新材料(HEA)來研究一個非常古老的問題并開發(fā)這種技術(shù)。”

因?yàn)槲诲e通常以微米的距離構(gòu)成自己(在走過它之后想到冰片中的裂縫網(wǎng)絡(luò))，所以很難通過在顯微鏡內(nèi)觀察它們而難以確定單個事件，該顯微鏡僅適用于薄樣品(內(nèi)部)透射電子顯微鏡，樣品厚度通常小于1微米)。

“在傳統(tǒng)的金屬中，位錯與我們一次看到的相距太遠(yuǎn)，因此它們在表面上消失了”Zuo解釋道。“此外，變形金屬有一連串的位錯，但只有少數(shù)實(shí)際上是活躍的。因此，一些學(xué)者評論說，當(dāng)人們看到金屬后面的變形時，就像訪問一個錯位的墓地。”

為了見證完整的單一雪崩，Zuo和他的團(tuán)隊(duì)需要找到一種材料，其中位錯以更小的尺度相互作用。HEA是一種新型合金，由五種不同的金屬元素(Al0.1CoCrFeNi)組成。因?yàn)槊總€金屬原子具有不同的尺寸并且晶體變形，所以它減慢了位錯，使得可以在相對小的體積內(nèi)存儲許多位錯和雪崩。

伊利諾伊州的研究人員能夠通過一種稱為納米壓痕的技術(shù)來測量位錯。他們采用一塊HEA并使用離子束制造納米柱，并使用納米壓痕儀的小扁平金剛石尖端將力施加到納米柱上。

“這種材料使我們能夠看到納米尺度(500納米)的位錯，”左說，解釋了這個過程。“我們有一個機(jī)械實(shí)驗(yàn)室對電子顯微鏡內(nèi)的測試樣品施加力。當(dāng)施加應(yīng)力時，樣品變形。當(dāng)應(yīng)力超過位錯移動納米柱內(nèi)所需的應(yīng)力時，位錯將成倍增加。脫位移動并遇到阻力，它們減速并糾纏在一起并形成一個錯位帶。如果你想到像水流一樣的壓力，那么錯位雪崩就像一個水壩破裂，水突然耗盡.HEA進(jìn)行觀察可能。“

該過程的結(jié)果是兩次測量 - 首先是機(jī)械測量，它允許研究人員研究移位所需的力以及移動的程度，其次是電子成像以捕獲視頻中的位錯運(yùn)動。之前沒有研究能夠?qū)㈦娮映上窈蜋C(jī)械力測量結(jié)合起來研究位錯雪崩。

“從以前的累積研究中，我們知道如何產(chǎn)生錯位，我們已經(jīng)能夠研究留下的東西了，”左說。“這項(xiàng)研究為錯位如何相互作用提供了一個關(guān)鍵的答案。”

Zuo補(bǔ)充說，這種類型的測量可用于開發(fā)理論和計(jì)算模型，用于預(yù)測材料在特定應(yīng)力下的表現(xiàn)。

“這很重要，因?yàn)闉?zāi)難性的失敗始于這種突然變形，”左說。“在災(zāi)難性失敗之前，我們將能夠更好地預(yù)測行動。這反過來又會導(dǎo)致更強(qiáng)大的材料的發(fā)展。”

這項(xiàng)研究恰逢整個伊利諾伊州校園努力將HEA用于核反應(yīng)堆和高溫應(yīng)用。

“HEA在高溫下穩(wěn)定，可以承受很大的壓力，”Zuo說。“如果我們了解位錯結(jié)構(gòu)，它將有助于為非常具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用開發(fā)材料。”