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Esmaltación Mecánica, Fuerza Creciente y Porqué los Materiales Consiguen tan Más Fuertes que Consiguen Más Pequeños

Temas Revestidos

Antecedentes

Fuerza en el Nivel del Nanómetro

Deformación Mecánica

Reducción de Dislocaciones

El Labrar A Máquina Enfocado del Haz de Ión

Material sin defecto y Esmaltación Mecánica

Deformación y Geometría

Fuerza Aumentada Incluso en Muestras con Deformaciones

Acuses De Recibo

Antecedentes

Mientras Que las estructuras hechas del metal consiguen más pequeñas - mientras que sus dimensiones se acercan a la escala del micrómetro (millionths de un contador) o menos - consiguen más fuertes. Los Científicos descubrieron este fenómeno hace 50 años mientras que medían la fuerza del estaño “barbas” algunos micrómetros en diámetro y algunos milímetros de largo. Muchas teorías se han propuesto para explicar porqué es más pequeño es más fuerte, pero hacen solamente recientemente que llegue a ser posible considerar y registrar qué está suceso real en estructuras minúsculas bajo tensión.

Cuadro 1.

Fuerza en el Nivel del Nanómetro

El Menor de Andrew, de la División de las Ciencias Materiales en el Ministerio de Laboratorio Nacional de Lorenzo Berkeley de la Energía, con los colegas de Hysitron Incorporó y el Centro de la Investigación y desarrollo de General Motors, usado el Microscopio In Situ en el Centro Nacional para la Microscopia Electrónica (NCEM) para registrar qué suceso cuando los pilares del níquel con los diámetros entre 150 y 400 nanómetros (billionths de un contador) son comprimidos bajo un punzón plano hecho de diamante. Se equipa el microscopio electrónico de la transmisión para poder esfuerzo, ser medido, y grabar muestras mientras que siendo observado bajo haz electrónico.

“Qué mandos la deformación de un objeto del metal es la manera que deserta, llamado dislocaciones, movimiento a lo largo de los aviones en su estructura cristalina,” el Menor dice. “El resultado del error de la dislocación es deformación plástica. Por ejemplo, doblar una grapa de papel hace sus trillones de dislocaciones por centímetro cuadrado enredar hacia arriba y multiplicarse mientras que se ejecutan en uno otro y deslizan a lo largo de los aviones de error numerosos.”

Deformación Mecánica

la deformación mecánica tiende generalmente a aumentar el número de dislocaciones en un material. Pero para a escala reducida estructura, con una proporción mucho mayor de superficie al volumen, el proceso puede ser muy diferente. Las imágenes grabadas del microscopio electrónico ayudaron a los investigadores a entender porqué los pilares del níquel del nanoscale son tan fuertes permitiendo que observen cambios en la microestructura de los pilares durante la deformación - incluyendo un proceso nunca-antes-visto la “esmaltación mecánica aparada los investigadores.” (En materiales a granel, la esmaltación, un tratamiento que reduzca la densidad de defectos, es lograda generalmente calentando.)

Reducción de Dislocaciones

El Menor dice, “La primera cosa que observamos era que, antes de la prueba, los pilares del nanoscale del níquel eran completos de dislocaciones. Sino Como nosotros comprimimos el pilar, todas las dislocaciones fueron expulsadas del material - literalmente reduciendo la densidad de dislocación por 15 órdenes de magnitud y produciendo un cristal perfecto. Llamamos este efecto esmaltación mecánica.”

El Labrar A Máquina Enfocado del Haz de Ión

Labraron a máquina los pilares De Menor Importancia y a sus colegas probados del níquel puro usando un haz de ión enfocado (FIB), una nueva técnica para la prueba a escala reducida de la mecánico-compresión primero descrita en 2004 por Michael Uchic del Laboratorio de Investigación de la Fuerza aérea de los E.E.U.U. y sus colegas. La técnica de la BOLA permite crear estructuras mucho más pequeñas que el metal “barbas” primero estudiadas en los años 50, que son hechos creciendo cristales.

Algunas de las dislocaciones los investigadores observados en los pilares labrados a máquina eran relativamente bajas y causadas por los haces iónicos ellos mismos. Otros ampliados a través del cristal y eran probablemente defectos preexistentes. Bajo compresión, la esmaltación mecánica hizo ambas clases de defecto desaparecer.

“Esencialmente todas las dislocaciones escape del cristal en la superficie, y usted no consigue el almacenamiento de dislocaciones como usted en cristales más grandes,” Menor dice. Son “Qué resultados un proceso llamó “el hambre de la dislocación, “se propuso recientemente por Guillermo D. Nix de Stanford, entre otros, que tiene rápidamente una de las teorías de cabeza de porqué estructuras más pequeñas son más fuertes.”

El Menor explica, “La idea es que si el escape de las dislocaciones el material antes de que puedan obrar recíprocamente y multiplicarse, allí no es suficiente dislocaciones activas para activar la deformación impuesta. La estructura puede deformar solamente después de que se creen las nuevas dislocaciones.” Éste es exacto el proceso él y sus colegas observados con el Microscopio In Situ de NCEM, la prueba evidente que la “hambre de la dislocación” es la explicación correcta para la fuerza creciente de pequeñas estructuras.

Material sin defecto y Esmaltación Mecánica

¿Qué suceso si un pilar sin defecto del níquel del nanoscale continúa ser comprimido? Algo tiene que dar, que suceso cuando las nuevas fuentes de la dislocación “nucleada” en el material. Mientras Que las dislocaciones existentes desaparecen en el pilar debido a la esmaltación mecánica, la nucleación de las nuevas fuentes de la dislocación suceso en tensiones progresivamente más altas.

En las estructuras del pilar, la deformación plástica puede tomar el formulario de aplanar súbito, de bombear, de torcerse, o de pelar del pilar, como las explosiones de nuevas dislocaciones propagan a través de él. O los pilares endurecidos, hechos más fuertes por la esmaltación mecánica, pueden perforar a la derecha para derribar en el substrato - aunque el pilar y el substrato son el mismo pedazo de metal contínuo. Ambos procesos fueron capturados en los experimentos grabados dramáticos del Microscopio In Situ.

Cuadro 2. para la Microscopia Electrónica

Deformación y Geometría

El labrar a máquina de la BOLA usado por los investigadores de NCEM produjo los pilares del níquel que fueron graduados ligeramente, y los investigadores observaron que esta geometría afectada donde y cómo ocurrió la deformación plástica, generalmente siendo mayores en el extremo más de diámetro bajo, libre (parte superior) del pilar.

Fuerza Aumentada Incluso en Muestras con Deformaciones

En pilares más grandes, ésos que se acercaban a 300 nanómetros de diámetro, esmaltación mecánica no eran completos, y algunas dislocaciones seguían siendo visibles incluso después la compresión. Con Todo incluso estos pilares exhibidos aumentaron fuerza, y tensiones progresivamente más altas eran necesarias continuar la deformación - subrayar la punta que es la creación de defectos movibles que determina fuerza en estos pequeños volúmenes.

“La belleza de la geometría de la pilar-prueba es que podemos directo definir la tensión. Entonces podemos correlacionar las tensiones medidas con acciones plásticas discretas registramos in situ e interpretamos más sin obstrucción los datos cuantitativos de nuestros experimentos,” dice al Menor. ¿“El discusión sobre qué determina la fuerza de una pequeña estructura casi ha bajado a una pregunta del pollo-y-huevo - es algo fuerte porque usted necesita una alta tensión mover una dislocación que esté ya allí? ¿O es fuerte porque usted necesita una alta tensión a nucleado una nueva dislocación? En este caso, parece que esa nucleación de la fuente - es decir, el “huevo” - es el factor determinante.”

Acuses De Recibo

La “esmaltación Mecánica y la deformación fuente-limitada en cristales del Ni del submicrometre-diámetro,” por Z.W. Shan, Raj Mishra, S.A. Syed Asif, Oden L. Warren, y Andrew M. Minor, aparece en la aplicación los Materiales de la Naturaleza, avance De enero de 2008 publicación 23 de diciembre de 2007 en línea en http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html. Este trabajo fue utilizado parcialmente por una concesión del Departamento de Energía de EE. UU. a Hysitron, Inc., y también por una concesión de la Oficina de la GAMA de la Ciencia, Oficina de las Ciencias Básicas de la Energía.

Fuente: Lorenzo Berkeley

Date Added: Jan 3, 2008 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 18:27

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