Nanomekanisk prøving av stål: Er mindre alltid sterkere?

Gjennom dette arbeidet, er nanomekaniske kompresjonsegenskaper undersøkt for tre forskjellige materialer: To stål legeringer og et renjern. Pillarer av varierende størrelse, fra diameter 100nm til 2um, er fabrikkert ved bruk av FIB (Focused Ion Beam) i NTNU nanolab, etterfulgt av kompresjonstesting. Hvorvidt størrelsen til pilarene påvirker de mekaniske egenskapene, er gjennomgående undersøkt for alle tre materialene, med spesielt hovedvekt på en-krystall renjern. «Small is stronger» er et velkjent utsagn i micro skala verden, og er diskutert videre her for hvert materiale. F70 er en arktisk multifase ståltype, hvorpå lokale egenskaper i korngrense og matrix er undersøkt. Lokale soner i dette stålet er korngrenser bestående av MA-partikler (Martensitt og rest-Austenitt) og matriksen som består av fraksjoner av bainitt, martensitt, feritt og rest-austenitt. Stålet er varmebehandlet i to sykluser for å simulere ICCGHAZ i sveisesoner, hvorpå avkjølingshastigheten i temperatureintervallet fra T=800 - 500°C er satt til 5 sekund for en prøve, og 10 sekund for en annen prøve. Avkjølingshastigheten avgjører således de bruddmekaniske egenskapene, som er undersøkt ved nanomekanisk kompresjons testing. Pilar størrelsen er 250nm, 450nm og 1um. Resultatet indikerer at 5 sekunds prøven utviser høyere styrke og seighet. Størrelseseffekten er ikke fremtredende før en kritisk pilar diameter på 250nm er nådd. Dette stålet er undersøkt som en del av prosjektet Arctic Materials Group på SINTEF.Et to-fase stål bestående av martensitt korn i en matriks av feritt er undersøkt som en del av EU-prosjektet ved NTNU. To forskjellige prøver er undersøkt, hvorpå forskjellen skyldes legeringsinnhold av 0.05wt% Nb i den ene prøven, og ingenting i den andre. Legeringselementet øker både duktile egenskaper og styrken, på grunn av finfordelte utfellinger av karbider og redusering av kornvekst. Single-slip orienteringen (5 2 11) i feritt fasen er i hovedfokus, men martensitt fasen er også undersøkt. Fra resultatene kan det konkluderes med at innhold av Nb hever styrken og duktiliteten til materialet markant. Pillar diameter testet er 500nm og 1um. Størrelseseffekten kan ikke påvises eller avkreftes, da det ikke er undersøkt nok pillar størrelser til å trekke en absolutt konklusjon. Tre forskjellige orienteringer av 99.998% rent bcc-Jern er undersøkt: Multi-slip orientering (111) og (110), sammen med en single-slip orientering (235). Hovedfokuset ligger i å undersøke størrelseseffekten av en-krystall bcc-Fe, og om effekten av single-slip i forhold til multi-slip systemer påvirker resultatene. Kompresjons testing avslører at det er en fremtredende størrelseseffekt tilstede i alle tre orienteringer. Styrken til (111) orienteringen er høyere jevnt over sammenlignet med de to andre orienteringene, selv om størrelseseffekten er mest fremtredende i (235). Den økte styrken som de minste pillarene utviser, er således ikke påvirket av mengden av tilgjengelige slip-systemer. En beskrivende ligning for størrelses-effekt sensitiviteten er τ = D-n, hvor størrelsen på n indikerer sensitiviteten. For dette renjernet ligger verdien av n i samme området som for fcc metaller, altså en markant størrelseseffekt. Skjønt, er deformasjons mekanismen i fcc og bcc grunnleggende forskjellige. Den observerte styrke økningen, konkluderes å være forårsaket av atermale prosesser, eller ved skru-dislokasjoners grad av mobilitet. Pillar størrelsen varierer fra 100nm, 500nm, 1um og 2um. Det kan derfor konkluderes med at det er en sterk størrelse effekt i bcc-Fe. For å kunne forstå de lokale egenskapene i komplekse mikrostrukturer, er det først og fremst avgjørende å forstå deformasjonsmekanismen i rene en-krystaller. En god teori for plastisk deformasion på sub-mikro nivå er fremdeles ikke fremkommet og validert både eksperimentelt og data simulert. Når dette skjer, kan man være i stand til å forstå effekten av komplekse gitterstrukturer og legeringsinnhold, på nanomekaniske plastiske egenskaper. Med andre ord, man må tilnærme seg problemet fra en bottom-up perspektiv. Koblingen mellom datasimuleringer og eksperimentell testing på sub-mikronivå, må gjøres sterkere. Inntil dags dato, er mye av dette universet fremdeles uutforsket, og kun mindre forstått. Derfor kan du bruke denne oppgaven som ditt springbrett inn i verden av nanoskalerte materialeventyr