Adoucissement Mécanique, une Résistance Accrue et Pourquoi les Matériaux Deviennent tout Plus Intenses qu'Ils Deviennent Plus Petits

Sujets Couverts

Mouvement Propre

Force au Niveau de Nanomètre

Déformation Mécanique

Réduction de Dislocations

Usinage Orienté de Faisceau D'ions

Matériau sans défaut et Adoucissement Mécanique

Déformation et Géométrie

Force Améliorée Même dans les Échantillons avec des Déformations

Remerciements

Mouvement Propre

Pendant Que les structures faites de métal deviennent plus petites - pendant que leurs cotes approchent l'échelle de micromètre (millionths d'un compteur) ou moins - elles deviennent plus intenses. Les Scientifiques ont découvert ce phénomène il y a 50 ans tout en mesurant la force de l'étain « favoris » quelques micromètres de diamètre et quelques mm dans la longueur. Beaucoup de théories ont été proposées pour expliquer pourquoi plus petit est plus intense, mais la font tout récemment devenir possible pour voir et enregistrer ce qui se produit réellement en structures minuscules sous le stress.

Le Schéma 1.

Force au Niveau de Nanomètre

Le Mineur d'Andrew, de la Division de Sciences Des Matériaux Dans le Ministère De L'énergie le Laboratoire National de Lawrence Berkeley, Avec des collègues de Hysitron A Comporté et le Centre de Recherche et développement de General Motors, utilisé le Microscope In Situ au Centre National pour la Microscopie Électronique (NCEM) pour enregistrer ce qui se produit quand les piliers du nickel avec des diamètres entre 150 et 400 nanomètres (milliardièmes d'un compteur) sont comprimés sous un perforateur plat fait en diamant. Le microscope électronique de boîte de vitesses est équipé de sorte que des échantillons puissent être chargés, mesurés, et enregistrés en vidéo tout en étant observé sous le faisceau d'électrons.

« Quels contrôles la déformation d'un objectif en métal est la manière dont déserte, dislocations appelées, mouvement le long des plans en sa structure cristalline, » le Mineur dit. « Le résultat de la fiche de transmission de dislocation est déformation en plastique. Par exemple, la courbure d'un trombone fait embrouiller et multiplier ses trillions des dislocations selon le centimètre carré pendant qu'ils fonctionnent dans un un un autre et glissent le long de nombreux plans de fiche de transmission. »

Déformation Mécanique

Généralement la déformation mécanique tend à augmenter le nombre de dislocations dans un matériau. Mais pour à petite échelle structure, avec une part de surface beaucoup plus grande au volume, le procédé peut être très différent. Les images enregistrées en vidéo du microscope électronique ont aidé les chercheurs à comprendre pourquoi les piliers de nickel de nanoscale sont si intenses en leur permettant d'observer des changements de la microstructure des piliers pendant la déformation - comprenant un procédé jamais-avant-vu « l'adoucissement mécanique aboubé par chercheurs. » (En Vrac les matériaux, l'adoucissement, une demande de règlement qui réduit la densité des défauts, est habituellement accompli par la chauffage.)

Réduction de Dislocations

Le Mineur dit, « La première chose que nous avons observée était que, avant le test, les piliers de nanoscale du nickel étaient pleins des dislocations. Mais en tant que nous avons comprimé le pilier, toutes les dislocations ont été chassées du matériau - littéralement réduisant la densité de dislocation par 15 ordres de grandeur et produisant un cristal parfait. Nous appelés cet adoucissement mécanique d'effet. »

Usinage Orienté de Faisceau D'ions

Les piliers Moins Importants et ses collègues examinés ont été usinés du nickel pur utilisant un faisceau d'ions orienté (FIB), une technique neuve pour le test à petite échelle de mécanique-compactage d'abord décrit en 2004 par Michael Uchic du Laboratoire de Recherche de l'Armée de l'Air des États-Unis et ses collègues. La technique de BOBARD permet pour produire des structures beaucoup plus petites que le métal « favoris » d'abord étudiés pendant les années 1950, qui sont effectuées en élevant des cristaux.

Certaines des dislocations les chercheurs observés dans les piliers usinés étaient relativement peu profondes et entraînées par les faisceaux ioniques eux-mêmes. D'autres avancés à travers le cristal et étaient vraisemblablement les défauts préexistants. Sous le compactage, l'adoucissement mécanique a fait disparaître les deux genres de défaut.

« Essentiellement toutes les dislocations s'échappent du cristal sur la surface, et vous n'obtenez pas la mémoire des dislocations comme vous en plus grands cristaux, » Mineur dit. « Quels résultats est « une famine appelée de processus de dislocation, « récent proposée par William D. Nix de Stanford, notamment, qui a rapidement est devenue une des principales théories de pourquoi de plus petites structures sont plus intenses. »

Le Mineur explique, « L'idée est que si l'évasion de dislocations le matériau avant qu'elles puissent agir l'un sur l'autre et se multiplier, là ne sont pas assez de dislocations actives pour activer la déformation imposée. La structure peut seulement déformer après que des dislocations neuves soient produites. » C'est avec précision le procédé lui et ses collègues observés avec le Microscope In Situ de NCEM, la preuve irréfutable que la « famine de dislocation » est l'explication correcte pour la résistance accrue de petites structures.

Matériau sans défaut et Adoucissement Mécanique

Que se produit si un pilier sans défaut de nickel de nanoscale continue à être comprimé ? Quelque Chose doit donner, qui se produit quand des sources neuves de dislocation « nucléée » dans le matériau. Pendant Que les dislocations existantes disparaissent dans le pilier à cause de l'adoucissement mécanique, la nucléation des sources neuves de dislocation se produit à des stress graduel plus élevés.

Dans les structures de pilier, la déformation en plastique peut prendre la forme d'aplatir subit, de renfler, de se déformer, ou de tondre du pilier, comme les paquets d'impulsions des dislocations neuves propagent par lui. Ou les piliers tannés, rendus plus intenses par l'adoucissement mécanique, peuvent poinçonner juste pour avaler dans le substrat - quoique le pilier et le substrat sont la même pièce de métal continue. Les Deux procédés ont été capturés dans les expériences enregistrées en vidéo excessives du Microscope In Situ.

Le Schéma 2. pour la Microscopie Électronique

Déformation et Géométrie

L'usinage de BOBARD employé par les chercheurs de NCEM a produit les piliers de nickel qui ont été légèrement effilés, et les chercheurs ont noté que cette géométrie affectée où et comment la déformation en plastique s'est produite, généralement étant plus grands dans l'extrémité plus de faible diamètre et libre (haut) du pilier.

Force Améliorée Même dans les Échantillons avec des Déformations

Dans de plus grands piliers, ceux approchant 300 nanomètres de diamètre, adoucissement mécanique n'étaient pas complets, et quelques dislocations sont demeurées visibles même après le compactage. Pourtant même ces piliers ont montré la force améliorée, et des stress graduel plus élevés étaient nécessaires pour continuer la déformation - souligner la remarque que c'est la création des défauts mobiles qui détermine la force en ces petits volumes.

« La beauté de la géométrie de pilier-test est que nous pouvons tout droit définir le stress. Alors nous pouvons marquer les stress mesurés avec des événements en plastique discrets avons enregistré in situ et interprétons plus clair les données quantitatives de nos expériences, » dit le Mineur. Est-ce que « La discussion au-dessus de ce qui détermine la force d'une petite structure presque à une question de poulet-et-oeuf - quelque chose est descendue est intense parce que vous avez besoin d'un stress élevé pour déménager une dislocation qui est déjà là ? Ou est-elle intense parce que vous avez besoin d'un stress élevé à nucléé une dislocation neuve ? Dans ce cas, il semble que que nucléation de source - c.-à-d., le « oeuf » - est le facteur déterminant. »

Remerciements

« L'adoucissement Mécanique et la déformation Source-limitée en cristaux de Ni de submicrometre-diamètre, » par Z.W. Shan, Raj Mishra, S.A. Syed Asif, Oden L. Warren, et Andrew M. Minor, apparaît dans la question de Janvier 2008 des Matériaux de Nature, publication en ligne à l'avance le 23 décembre 2007 chez http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html. Ce travail a été partiellement supporté par une concession du Département de l'Énergie des USA à Hysitron, Inc., et également par une concession du Bureau de DAINE de la Science, Bureau des Sciences De base d'Énergie.

Source : Lawrence Berkeley

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

Last Update: 13. June 2013 17:47

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