Ricottura Meccanica, Maggior Robustezza E Perché i Materiali si Rafforzano mentre Ottengono Più Piccoli

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Sfondo

Concentrazione al Livello di Nanometro

Deformazione Meccanica

Riduzione delle Dislocazioni

Lavorare Messo A Fuoco del Raggio Ionico

Materiale senza difetti e Ricottura Meccanica

Deformazione e la Geometria

Concentrazione Migliorata Anche in Campioni con le Deformazioni

Ringraziamenti

Sfondo

Come le strutture fatte di metallo ottengono più piccole - mentre le loro dimensioni si avvicinano al disgaggio di micrometro (millionths di un metro) o meno si rafforzano. Gli Scienziati hanno scoperto questo fenomeno 50 anni fa mentre misuravano la concentrazione di stagno “basette„ alcuni micrometri di diametro ed alcuni millimetri di lunghezza. Molte teorie sono state proposte per spiegare perché più piccolo è più forte, ma soltanto recentemente la fa diventare possibile per vedere e registrare che cosa realmente sta accadendo in strutture minuscole nell'ambito dello sforzo.

Figura 1.

Concentrazione al Livello di Nanometro

Il Minore di Andrew, della Divisione di Scienze dei Materiali nel Dipartimento Per L'Energia il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley, Con i colleghi da Hysitron Ha Incorporato ed il Centro di Ricerca e sviluppo di General Motors, usato il Microscopio In Situ al Centro Nazionale per Microscopia Elettronica (NCEM) per registrare che cosa accade quando le colonne di nichel con i diametri fra 150 e 400 nanometri (billionths di un metro) sono compresse sotto una perforazione piana fatta del diamante. Il microscopio elettronico della trasmissione è fornito in moda da potere essere sollecitato, misurato e registrare i campioni mentre siano osservato nell'ambito del fascio di elettroni.

“Che comandi la deformazione di un oggetto del metallo è il modo che diserta, chiamato dislocazioni, movimento lungo gli aerei in suo sistema cristallino,„ il Minore dice. “Il risultato del contratto provvisorio della dislocazione è deformazione di plastica. Per esempio, piegare una graffetta induce i sui trilioni delle dislocazioni per centimetro quadrato ad aggrovigliare su e moltiplicarsi mentre si imbattono in uno un altro e fanno scorrere lungo i numerosi piani di scorrimento.„

Deformazione Meccanica

la deformazione meccanica tende generalmente ad aumentare il numero delle dislocazioni in un materiale. Ma per su scala ridotta struttura, con una proporzione molto maggior di area con volume, il trattamento può essere molto differente. Le immagini registrate dal microscopio elettronico hanno aiutato i ricercatori a capire perché le colonne del nichel del nanoscale sono così forti permettendoli di osservare i cambiamenti nella microstruttura delle colonne durante la deformazione - compreso un trattamento mai-prima-veduto “la ricottura meccanica definita ricercatori.„ (All'ingrosso i materiali, la ricottura, un trattamento che diminuisce la densità dei difetti, è compiuta solitamente riscaldando.)

Riduzione delle Dislocazioni

Il Minore dice, “La prima cosa che abbiamo osservato era che, prima della prova, le colonne del nanoscale di nichel erano piene delle dislocazioni. Ma come compressi la colonna, tutte le dislocazioni siamo stati cacciati del materiale - letteralmente diminuendo la densità di dislocazione da 15 ordini di grandezza e producendo un cristallo perfetto. Abbiamo chiamato questo effetto ricottura meccanica.„

Lavorare Messo A Fuoco del Raggio Ionico

Le colonne Secondarie ed i suoi colleghi esaminati sono stati lavorati da nichel puro facendo uso di un raggio ionico messo a fuoco (FIB), di nuova tecnica per la prova su scala ridotta di meccanico-compressione in primo luogo descritta nel 2004 da Michael Uchic del Laboratorio Di Ricerca Dell'Aeronautica degli Stati Uniti e dei suoi colleghi. La tecnica di MENTIRE permette di creare le strutture molto più piccole che il metallo “basette„ in primo luogo studiate negli anni 50, che sono fatti coltivando i cristalli.

Alcune delle dislocazioni i ricercatori osservati nelle colonne lavorate erano relativamente basse e causate dai raggi ionici stessi. Altri estesi attraverso il cristallo ed erano presumibilmente difetti preesistenti. Nell'ambito di compressione, la ricottura meccanica ha indotto entrambi i generi di difetto a sparire.

“Essenzialmente tutte le dislocazioni sfuggono a dal cristallo alla superficie e non ottenete l'archiviazione delle dislocazioni come in più grandi cristalli,„ Minore dite. “Che risultati è un trattamento ha chiamato “l'inedia della dislocazione, “recentemente proposta da William D. Nix di Stanford, tra l'altro, che ha rapidamente è stato una delle teorie principali di perché le più piccole strutture sono più forti.„

Il Minore spiega, “L'idea è che se la fuga delle dislocazioni il materiale prima che possano interagire e moltiplicarsi, là non è abbastanza dislocazioni attive per permettere alla deformazione imposta. La struttura può deformare soltanto dopo che le nuove dislocazioni sono create.„ Ciò è precisamente il trattamento lui ed i suoi colleghi osservati con il Microscopio In Situ di NCEM, prova ben fondata che “l'inedia della dislocazione„ è la spiegazione corretta per la maggior robustezza di piccole strutture.

Materiale senza difetti e Ricottura Meccanica

Che Cosa accade se una colonna senza difetti del nichel del nanoscale continua ad essere compressa? Qualcosa deve dare, che accada quando nuove sorgenti della dislocazione “nucleata„ nel materiale. Mentre le dislocazioni attuali scompaiono nella colonna a causa di ricottura meccanica, la nucleazione di nuove sorgenti della dislocazione accade agli sforzi progressivamente più alti.

Nelle strutture della colonna, la deformazione di plastica può prendere la forma di spianatura improvvisa, di gonfiamento, di torsione, o di scorrimento della colonna, come i burst di nuove dislocazioni si propagano attraverso. O le colonne indurite, rese più forti tramite ricottura meccanica, possono perforare la destra per scolarsi nel substrato - anche se la colonna ed il substrato sono lo stesso pezzo di metallo continuo. Entrambi I trattamenti sono stati catturati negli esperimenti registrati drammatici del Microscopio In Situ.

Figura 2. per Microscopia Elettronica

Deformazione e la Geometria

Lavorare FIB usato dai ricercatori di NCEM ha prodotto le colonne del nichel che leggermente sono state affusolate ed i ricercatori hanno notato che questa geometria influenzata dove e come la deformazione di plastica ha accaduto, generalmente essendo maggiori nell'estremità più di diametro basso e libera (cima) della colonna.

Concentrazione Migliorata Anche in Campioni con le Deformazioni

In più grandi colonne, quelli che si avvicinano a 300 nanometri di diametro, ricottura meccanica non erano completi ed alcune dislocazioni sono rimanere visibili anche dopo compressione. Eppure anche queste colonne esibite hanno migliorato la concentrazione e gli sforzi progressivamente più alti erano necessari continuare la deformazione - sottolineare il punto che è la creazione dei difetti mobili che determina la concentrazione in questi piccoli volumi.

“La bellezza della geometria di colonna-prova è che possiamo semplicemente definire lo sforzo. Poi possiamo correlare gli sforzi misurati con gli eventi di plastica discreti abbiamo registrato in situ e più chiaro interpretiamo i dati quantitativi dai nostri esperimenti,„ dice il Minore. “Il dibattito sopra che cosa determina la concentrazione di piccola struttura è sceso quasi ad una domanda dell'pollo-e-uovo - è qualche cosa di forte perché avete bisogno di alto sforzo di muovere una dislocazione che è già là? O è forte perché avete bisogno di alto sforzo a nucleato una nuova dislocazione? In questo caso, sembra che quella nucleazione di sorgente - cioè, “l'uovo„ - sia il fattore di determinazione.„

Ringraziamenti

“La ricottura Meccanica e la deformazione sorgente-limitata nei cristalli del Ni del submicrometre-diametro,„ da Z.W. Shan, Raj Mishra, S.A. Syed Asif, Oden L. Warren ed Andrew M. Minor, compare nell'emissione dei Materiali della Natura, avanzamento Del gennaio 2008 pubblicazione 23 dicembre 2007 online a http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html. Questo lavoro parzialmente è stato supportato da una concessione dal Dipartimento Per L'Energia di STATI UNITI A Hysitron, Inc. ed anche da una concessione dall'Ufficio della DAINA di Scienza, Ufficio delle Scienze Di Base di Energia.

Sorgente: Lawrence Berkeley

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

Last Update: 13. June 2013 17:56

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