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研究人员展示了一种技术，可以提供前所未有的细节，了解材料在暴露于包括剪切应力在内的一系列应力下的行为。这项工作可以用来为从新型电子设备到高性能纺织品的一切发展提供信息。
“无论你是在开发电子设备还是纺织应用，了解你所使用的材料如何应对各种压力是很重要的，”巴拉特·瓜拉尼(Bharat Gwalani)说，他是两篇关于这项工作的论文的通讯作者，也是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程的助理教授。简而言之，你需要知道材料在使用时的表现。
Gwalani说:“我们已经展示了一种原位技术，可以让我们在纳米尺度上看到材料在被划伤、压痕或受到剪切应力时的反应。”
剪应力是指在与材料表面平行的方向上施加的应力，例如当一个物体被拖过另一个物体的表面时。
“我们还能够监测高应变过程中材料结构和机械性能的变化，周期性的剪切应力，这意味着剪切应力是重复施加的，”瓜拉奈说。“当表面相互摩擦时，我们通常会看到周期性剪切应力。对于所有这些压力模式，我们得到了特定地点的评估，这意味着我们可以近乎实时地看到压力施加地点附近的区域正在发生什么。”
提高我们对材料在压力下的力学特性的理解是很重要的，因为它能准确地告诉设计师，当材料暴露在这些压力下时，它会如何表现。简单来说，测量“应力-应变”曲线可以告诉我们材料拉伸了多少，是变硬了还是变软了，等等。
“因为这些技术是在原位进行的，这意味着它们可以在不从大块材料中取出样品的情况下进行;因为我们可以看到正在发生的事情的细节;因为所有这些都是实时发生的;我们还可以看到应力如何影响材料的微观结构，”Gwalani说。“例如，我们可以识别‘首选滑移面’，或者当材料因应力变形时，材料中的原子相互滑动的区域。
“这方面有两个重大进展，”瓜拉尼说。“首先，这是第一次有人证明有能力将这种程度的细节收集到剪切应力的机械响应中。其次，我们现在能够准确地看到材料的微结构是如何应对这些形式的应力的。”
在此之前，研究人员可以看到材料的微结构在施加这些类型的应力前后的样子。这项新工作意味着研究人员现在能够看到在变形过程中这些材料的微观结构发生了什么变化。
“这项工作在航空航天、汽车和陶瓷工程领域有明显的应用，”Gwalani说。“我们认为，这些技术在推进能源储存、纺织、半导体和地球化学方面的工作方面也有巨大的潜力。我们很乐意听到在这些领域有兴趣合作的人的消息。”
研究人员目前正在努力提高这些测试技术的基本能力，以便它们可以在极高或极低的温度下收集类似的信息。
一篇关于压痕和循环剪应力研究的期刊文章，“压痕和循环剪切作用下Cu-Nb多层薄膜应变调节模式发表在该杂志上表面和接口．该论文由太平洋西北国家实验室(PNNL)的Mayur Pole、Zexi Lu、Tanvi Anil Ajantiwalay、Matthew Olszta、Shalini Tripathi、Anqi Yu、Hardeep Mehta、王天浩、马晓龙和Arun Devaraj共同撰写。
一篇期刊文章只关注剪应力，”纯Cu和Cu/Nb纳米层合板剪切变形的显微力学测试，发表在Scripta Materialia．该论文由PNNL的Tanvi Ajantiwalay、马晓龙、于安琪、Mayur Pole、Joshua Silverstein和Arun Devaraj共同撰写;以及科罗拉多矿业学院的Suveen Mathaudhu。
这项工作是在PNNL实验室指导研究与开发固相处理科学计划的资助下完成的。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
“纯Cu和Cu/Nb纳米层合板剪切变形的显微力学测试”
作者: Tanvi Ajantiwalay，马晓龙，余安琪，Mayur Pole, Joshua Silverstein和Arun Devaraj，太平洋西北国家实验室;Suveen Mathaudhu，科罗拉多矿业学院和太平洋西北国家实验室;巴拉特·瓦拉尼，北卡罗莱纳州立大学和太平洋西北国家实验室
发表: 3月11日Scripta Materialia
DOI: 10.1016 / j.scriptamat.2023.115403
文摘:通过在材料中引入剪切变形的固相处理可以导致独特的组织演变和增强的力学性能，特别是对于Cu/Nb等不混溶体系。为了更好地理解剪切过程中微观结构与变形行为之间的关系，有必要在预测位置进行专门的应力局部化测试设计。在本研究中，实现了专门的s形试件几何结构，在纯Cu和Cu/Nb累积滚结纳米层合材料中应用局部单剪切加载。Cu/Nb的纳米级微观结构和界面的接近性使剪切应力比纯Cu增加2.8倍。在纯铜中，塑性失稳导致剪切带和面内晶格旋转。在Cu/Nb中，界面发生部分弯曲，导致局域晶格旋转。因此，微尺度试样的适应几何形状成功地捕捉了两种不同材料系统中预测位置的剪切变形，并可能成为研究变形机制的强大技术。
“Cu-Nb多层薄膜压痕和循环剪切应变调节模式”
作者: Mayur Pole, Zexi Lu, Tanvi Anil Ajantiwalay, Matthew Olszta, Shalini Tripathi, Anqi Yu, Hardeep Mehta，王天浩，马晓龙和Arun Devaraj，太平洋西北国家实验室;巴拉特·瓦拉尼，北卡罗莱纳州立大学和太平洋西北国家实验室
发表: 2月13日表面和接口
DOI: 10.1016 / j.surfin.2023.102712
文摘:具有高密度半相干界面的两相层状薄膜具有优异的力学性能和热稳定性。在本研究中，磁控溅射Cu-Nb双层薄膜(?Cu为500 nm, Nb为?150 nm)，在Cu和Nb之间形成非晶界面，并且在Cu中存在高密度的对准生长孪晶，从而导致严重的表面变形。材料在摩擦学测试下采用压痕和循环剪切加载。变形后亚表面微观组织的应变调节随局部组织和变形方式的不同而不同。在压痕和划痕试验后，观察到Nb层应力区晶粒细化和裂纹形成，非晶界面局部结晶。通过高分辨率透射电子显微镜和实验引导的分子动力学(MD)模拟，可以观察到在循环剪切应变作用下，Cu层生长孪晶发生明显的脱孪，形成较大的位错位点和环。我们的模拟为理解循环剪切载荷下脱孪生过程的途径提供了见解。
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