Comme les structures en métal deviennent plus petits - comme leurs dimensions l'approche de l'échelle micrométrique (millionièmes de mètre) ou moins - ils deviennent plus forts. Les scientifiques ont découvert ce phénomène il ya 50 ans tout en mesurant la force de l'étain "moustaches" de quelques micromètres de diamètre et quelques millimètres de longueur. De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer pourquoi plus petit est plus fort, mais ce n'est que récemment qu'il est devenu possible de voir et d'enregistrer ce qui se passe réellement dans des structures minuscules sous stress.  Figure 1. Compression d'un pilier de nickel dont l'extrémité libre a un diamètre d'environ 150 nanomètres. Avant la compression (à gauche) le pilier a une forte densité de défauts, visibles comme des marbrures sombres. Après la compression de tous les défauts ont été chassés, un processus connu sous le nom précédemment inaperçus "mécanique recuit». Résistance à l'échelle du nanomètre Andrew Minor, de la Division des sciences des matériaux dans le département de l'Énergie Lawrence Berkeley National Laboratory, avec des collègues de Hysitron Incorporated et la General Motors Research and Development Center, utilisé le au microscope In Situ au National Center for Electron Microscopy (NCEM) pour enregistrer ce qui se passe quand les piliers de nickel de diamètres compris entre 150 et 400 nanomètres (milliardièmes de mètre) sont compressés sous un coup de poing plat en diamant. Le microscope électronique à transmission est équipée de sorte que les échantillons puissent être souligné, mesurés, et filmés alors être observé sous le faisceau d'électrons. "Quel contrôle de la déformation d'un objet métallique est la façon dont les défauts, appelés dislocations, déplacer le long des plans dans sa structure cristalline," Minor dit. «Le résultat du glissement de dislocation est la déformation plastique. Par exemple, le pliage d'un trombone provoque sa trillions de dislocations par centimètre carré à s'emmêler et se multiplient comme ils courent un dans l'autre et de glisser le long de nombreux plans de glissement». Déformation mécanique En général, la déformation mécanique tend à augmenter le nombre de dislocations dans un matériau. Mais pour les petites structures à l'échelle, avec une proportion beaucoup plus grande de la surface au volume, le processus peut être très différente. Les images filmées par le microscope électronique a aidé les chercheurs à comprendre pourquoi les piliers de nickel nanométriques sont si forts en leur permettant d'observer des changements dans la microstructure des piliers durant la déformation - ". Mécaniques recuit", y compris un processus encore jamais vu les chercheurs baptisé (Dans les matériaux en vrac, recuit, un traitement qui réduit la densité de défauts, est habituellement accompli par chauffage.) Réduction des dislocations Mineur dit: «La première chose que nous avons observé, c'est que, avant l'essai, les piliers de nickel nanométriques étaient pleins de dislocations Mais comme nous le pilier compressé, toutes les dislocations ont été chassés de la matière -. Littéralement, réduisant la densité de dislocations par 15 des ordres de grandeur et de la production d'un cristal parfait. Nous avons appelé cet effet mécanique de recuit. " Usinage ciblée Ion Beam Les piliers Mineure et ses collègues ont testé ont été usinées à partir de nickel pur à l'aide d'un faisceau d'ions focalisé (FIB), une nouvelle technique de petite échelle mécanique de compression premier essai décrit en 2004 par Michael Uchic des États-Unis Air Force Research Laboratory et ses collègues. La technique FIB permet de créer des structures beaucoup plus petites que le métal «moustaches» d'abord étudié dans les années 1950, qui sont faites par la croissance de cristaux. Certains des dislocations les chercheurs ont observé dans les piliers usinés ont été relativement peu profonde et causés par l'ion-mêmes poutres. Autres étendu à travers le cristal et ont été vraisemblablement défauts préexistants. Sous la compression, mécanique recuit causé deux types de défauts à disparaître. «Essentiellement, tous les dislocations échapper le cristal à la surface, et vous ne recevez pas le stockage des dislocations comme vous le feriez dans les grands cristaux," Minor dit. "Quels sont les résultats est un processus appelé« la famine dislocation, «récemment proposée par William D. Nix de Stanford, entre autres, qui est rapidement devenu l'une des principales théories de savoir pourquoi les petites structures sont plus fortes." Mineur, explique: «L'idée est que si les dislocations échapper au matériel avant qu'ils puissent interagir et de se multiplier, il n'y a pas assez de dislocations actives pour permettre la déformation imposée. La structure ne peut se déformer après nouvelles dislocations sont créées." C'est précisément le processus lui et ses collègues ont observé avec NCEM dans microscope In Situ, des preuves solides que «la famine dislocation» est l'explication correcte pour la résistance accrue des petites structures. Défaut des matériaux, mécanique libre et recuit Qu'est-ce qui se passe si un pilier sans défaut de nickel nanométriques continue à être comprimé? Quelque chose doit céder, ce qui arrive lorsque de nouvelles sources de dislocation »nucléée" dans le matériau. Comme les dislocations existantes disparaissent dans le pilier en raison des mécaniques de recuit, la nucléation de nouvelles sources de dislocations qui se passe à des contraintes progressivement plus élevés. Dans les structures pilier, la déformation plastique peut prendre la forme d'aplatissement soudain, bombé, la torsion ou de cisaillement de la colonne, comme des éclats de nouvelles dislocations se propagent à travers elle. Ou les piliers durci, rendu plus fort par des procédés mécaniques de recuit, peut coup de poing droit dans le substrat - même si pilier et le substrat sont le même morceau continue de métal. Ces deux processus ont été capturés dans les dramatiques Dans Microscope Situ expériences filmées.  Figure 2. Andrew Minor avec le microscope In Situ Dans le National Centre for Electron Microscopy Déformation et Géométrie L'usinage FIB utilisée par les chercheurs NCEM produit piliers du nickel qui ont été légèrement conique, et les chercheurs ont noté que cette géométrie affectée où et comment la déformation plastique produite, étant généralement plus grande dans le plus petit diamètre, extrémité libre (en haut) du pilier. Résistance améliorée même dans des échantillons avec des déformations Dans les grands piliers, ceux qui approchent de 300 nanomètres de diamètre, mécanique recuit n'était pas complète, et certaines dislocations restait visible même après compression. Pourtant, même ces piliers exposées résistance accrue, et souligne progressivement plus élevés ont été nécessaires pour continuer la déformation - en soulignant le fait que c'est la création de défauts portable qui détermine la force de ces petits volumes. «La beauté de la géométrie des piliers de test est que nous pouvons carrément définir le stress. Ensuite, nous pouvons corréler les contraintes mesurées avec des événements discrets en plastique enregistrés in situ et plus clairement interpréter les données quantitatives de nos expériences», explique Mineure. «Le débat sur ce qui détermine la force d'une petite structure est tombé à presque une question de la poule et l'œuf - est quelque chose de fort, car il vous faut un niveau élevé de stress pour déplacer une dislocation qui est déjà là ou est-il fort parce que vous avez besoin? ? un stress élevé au nucléée une dislocation de nouveaux Dans ce cas, il semble que la nucléation source - qui est, le «œuf» - est le facteur déterminant ". Remerciements "Recuit mécanique et une source limitée de déformation dans des cristaux de Ni submicrométriques de diamètre," par ZW Shan, Raj Mishra, SA Syed Asif, Oden L. Warren, et Andrew M. Minor, apparaît dans le Janvier 2008 de la revue Nature Materials, l'avance la publication en ligne le 23 Décembre 2007 à http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html . Ce travail a été partiellement financé par une subvention du département américain de l'Énergie à Hysitron, Inc, et aussi par une subvention de l'Office of Science du DOE, Bureau des sciences de l'énergie de base. |