По мере уменьшения размеров и повышения степени интеграции устройств становится крайне необходимым изучение механических свойств железосодержащих металлических материалов на наноуровне и исследование их микроскопических механизмов деформации. В отличие от дислокационного скольжения, двойникование представляет собой типичный способ релаксации деформационной энергии, сопровождающийся перемещениями; в результате этого возникают и ряд интересных явлений, таких как сверхпластичность и псевдоупругость. Механизмы деформационного двойникования в гексагонально‑упакованных (HCP) и гранецентрированных кубических (FCC) металлах изучены весьма подробно, тогда как исследования двойникования в объёмно‑центрированных кубических (BCC) металлах остаются сравнительно ограниченными, а некоторые из соответствующих микроскопических механизмов до сих пор остаются неясными.

Трансформационное двойникование является важным механизмом пластической диссипации в наноразмерных металлах с объёмно‑центрированной кубической решёткой (BCC), однако его происхождение и пространственно‑временные характеристики до сих пор остаются недостаточно ясными. Теоретически предполагалось, что механизм взаимодействия дислокаций и двойников зависит от масштаба материала. Недавно исследователи из Уханьского университета, используя эксперименты по непосредственному растяжению в просвечивающем электронном микроскопе, продемонстрировали, как размерный эффект регулирует двойниковую деформацию и механизм взаимодействия границ двойников и дислокаций в железных нанопроволоках с объёмно‑центрированной кубической структурой. Они установили, что для железных нанопроволок существует критический диаметр d — примерно 2,5 нм: при размерах ниже этого порога основным механизмом пластической деформации является скольжение дислокаций, тогда как при превышении критического диаметра пластичность определяется преимущественно трансформационным двойникованием, а не скольжением дислокаций. Например, при растяжении железной нанопроволоки диаметром около 9 нм на первом этапе наблюдается упругая деформация, после чего происходит зарождение и рост двойников, постепенно охватывающих всю проволоку. Кроме того, проведённые in situ‑исследования железных нанопроволок с диаметрами менее 17 нм и более 17 нм выявили два различных механизма двойниково‑связанной деформации: переориентацию двойниковых вариантов и разрушение границ двойников (TB cracking). Первый обусловлен взаимодействием между двойниками и дислокациями, тогда как второй — взаимодействием самих двойников. Дальнейшие молекулярно‑динамические и статистические модели раскрыли фундаментальные механизмы размерозависимой пластической деформации, которые ранее в значительной степени игнорировались в экспериментальных исследованиях. Полученные результаты подчёркивают важность размера зерна в регулировании деформационного поведения железа на наноуровне и предоставляют возможные ориентиры для разработки монокристаллических и поликристаллических железосодержащих материалов (например, сталей) с оптимальными механическими свойствами.

Результаты соответствующего исследования были опубликованы в журнале Journal of Materials Science & Technology под названием «Сильный размерный эффект на пластичность, обусловленную деформационными двойниками, в телецентрированной кубической железе». Соавторами‑первым авторами статьи выступили Чжао Лигун и Чэнь Госюйцзя из Уханьского университета; профессоры Ван Цзяньбо и Чжэн Хэ являются соответственно корреспондирующими авторами.

Ссылка на оригинал: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022200857X?via%3Dihub

Рис. 1. Исследование механизма пластической деформации в сверхмалоразмерных железных нанопроволоках (d < 2,5 нм) с модуляцией полных дислокаций

Полная пластическая деформация, обусловленная полным дислокационным механизмом, в ультрамалогабаритных Fe‑нанопроволоках

Рис. 2 Наблюдение процессов двойникования и детвиннинга, модулированных частичными дислокациями в направлении <111>

Процессы двойникования и детвинкирования Fe‑нанопроволоки

Рис. 3 Переориентация решётки при двойной модуляции

Перестройка кристаллической решётки, опосредованная сопряжением, в Fe‑нанопроволоках (d ~9 нм)

Рис. 4 Исследование разрушения в области двойниковой границы железных нанопроволок несколько большего размера (d~18 нм)

Трещины в TB на северо‑западе Фе (d ~18 нм)

В рамках данного исследования учёные взяли за объект изучения нанопроволоки железа малых размеров и систематически исследовали влияние их размера на механизм пластической деформации при растяжении. Было установлено, что существует критический размер (d ≈ 2,5 нм): при крайне малых размерах (d < 2,5 нм) преобладает дислокационное скольжение, тогда как при размерах выше этого критического порога (2,5–35 нм) в процессе пластической деформации нанопроволок железа доминирует механизм деформационного двойникования. Кроме того, при увеличении размера от d < 17 нм до d > 17 нм под действием растяжения двойники в нанопроволоках испытывают переход к перориентации — сопровождающийся разрушением границ двойников (TB‑cracking). Дальнейшие численные моделирования и теоретический анализ позволили выявить причины влияния размерного эффекта на механизмы деформации. Данная работа предоставляет атомарно‑масштабные экспериментальные данные для изучения механизмов деформации боди‑центрированных кубических (BCC) металлов на наноуровне и служит ориентиром для оптимизации прочности и пластичности железосодержащих материалов.

Рис. В рамках настоящего исследования использовались технологии компании ZEPTOOLS Пико Фемто Образцовые стержни серии ® для in situ‑ТЕМ и STM создают условия для проведения in situ‑исследований.

Рис. Методика эксперимента