Ученым удалось изучить свойства сплава на границах зерен
Тепловое расширение на нанометровом уровне в поликристаллических сплавах изучили исследователи из Института промышленных наук Токийского университета, 2 декабря сообщает журнал Nano Letters.
Поликристаллы — это твердые материалы, состоящие из множества мелких кристаллических зерен. На характеристики твердого тела влияют процессы на границах зерен (ГЗ). Однако обычными методами анализа не удается изучить процессы на границах при воздействии внешних факторов, таких, как температура.
ГЗ влияют на то, как ионы движутся через материал, как он проводит и реагирует на тепло, и на то, как он реагирует на приложение внешних сил. Поэтому они играют важную роль в принятии решения о том, подходит ли материал для конкретной цели.
Коэффициент теплового расширения (КТР) показывает, как размер материала изменяется при его нагревании. Если вокруг ГЗ по сравнению с основной массой материала ситуация будет отличаться, то могут образоваться трещины. Это может привести к крупномасштабным повреждениям сплава и иметь серьезные последствия для конструкции или процесса, в котором использовался материал.
Методы, обычно используемые для исследования локального теплового расширения, не имеют наноразмерного разрешения, необходимого для непосредственного измерения расширения вокруг ГЗ. Поэтому ученые использовали спектроскопию потерь энергии электронов (EELS) совместно со сканирующей электронной микроскопией, чтобы исследовать влияние нагрева на ГЗ титаната стронция (SrTiO3) на микроуровне.
«Мы изучили тепловое расширение вокруг двух разных ГЗ в SrTiO3 — в одном зерна встречаются под углом 36,8 ° (имеет конкретное название S5), а в другом — под углом 45 °. В частности, мы исследовали, как КТР изменяется перпендикулярно этим ГЗ при изменении температуры в диапазоне 100–700 ° C», — объясняет первый автор исследования Куниен Ляо.
Было обнаружено, что КТР, перпендикулярный к ГЗ S5, был в 3 раза больше, чем в объеме, в то время как КТР перпендикулярно 45 ° ГЗ был только в 1,4 раза больше. Полученные данные предоставляют напрямую измеренные доказательства того, что ГЗ повышают КТР, что имеет важное значение для выбора материалов для конкретных приложений.
«В дополнение к выявлению разницы в термодинамических свойствах в различных ГЗ, наши результаты демонстрируют потенциал EELS при изучении наноразмерных локальных свойств. Мы надеемся, что наше исследование предоставит инструменты для определения локальных тепловых свойств ряда материалов и поможет процессу их выбора для производства деталей, от автомобильных запчастей до электроники», — говорит автор исследования Теруясу Мизогучи.
