Het Mechanische Ontharden, Verhoogde Sterkte en Waarom de Materialen Sterker Worden aangezien Zij Kleiner Worden

Besproken Onderwerpen

Achtergrond

Sterkte op het Niveau Nanometer

Mechanische Misvorming

Vermindering van Dislocaties

Het Geconcentreerde Machinaal Bewerken van de Ionenstraal

Materiële en Mechanische Ontharden het zonder gebreken

Misvorming en Meetkunde

Verbeterde Sterkte Zelfs in Steekproeven met Misvormingen

Erkenning

Achtergrond

Aangezien de structuren van metaal worden gemaakt kleiner worden - aangezien hun afmetingen de micrometerschaal (miljoensten van een meter die) of minder naderen - zij worden sterker. De Wetenschappers ontdekten dit fenomeen 50 jaar geleden terwijl het meten van de sterkte van tin „bakkebaarden“ een paar micrometers in diameter en een paar millimeter in lengte. Vele theorieën zijn voorgesteld om te verklaren waarom kleiner sterker is, maar slechts heeft het onlangs geworden mogelijk om te zien en te registreren wat eigenlijk in uiterst kleine structuren onder spanning gebeurt.

Figuur 1.

Sterkte op het Niveau Nanometer

Andrew Minor, van de Afdeling van de Wetenschappen van Materialen in het Nationale Laboratorium van Lawrence Berkeley van het Ministerie van Energie, met collega's van Opgenomen Hysitron en het Centrum van het Onderzoek en van de Ontwikkeling van General Motors, gebruikte de Microscoop In Situ op het Nationale Centrum voor Elektronenmicroscopie (NCEM) om te registreren wat gebeurt wanneer de pijlers van nikkel met diameters tussen 150 en 400 nanometers (miljardsten van een meter) onder een vlakke die stempel samengeperst worden van diamant wordt gemaakt. De transmissieelektronenmicroscoop is uitgerust zodat de steekproeven kunnen worden beklemtoond, gemeten, en op videocassette opgenomen terwijl wordt waargenomen onder de elektronenstraal.

„Welke controles de misvorming van een metaalvoorwerp de manier is die tekorten, de genoemd dislocaties, beweging langs vliegtuigen in zijn kristalstructuur,“ Minderjarige zegt. Het „resultaat van dislocatiemisstap is plastic misvorming. Bijvoorbeeld, veroorzaakt het buigen van een paperclip zijn triljoenen omhoog dislocaties per vierkante centimeter aan verwarring en vermenigvuldigt zich aangezien zij elkaar en dia langs talrijke misstapvliegtuigen.“ tegenkomen

Mechanische Misvorming

in het algemeen, neigt de mechanische misvorming om het aantal dislocaties in een materiaal te verhogen. Maar voor kleinschalige structuren, met een veel groter deel van oppervlakte aan volume, kan het proces zeer verschillend zijn. De op videocassette opgenomen beelden van de elektronenmicroscoop hielpen de onderzoekers begrijpen waarom nanoscale de nikkelpijlers door hen toe te staan om veranderingen in de microstructuur van de pijlers tijdens misvorming - met inbegrip van een nooit-vóór-gezien proces waar te nemen de gesynchroniseerde onderzoekers „het mechanische ontharden.“ zo sterk zijn (In bulkmaterialen, die wordt een behandeling die de dichtheid van tekorten ontharden vermindert, gewoonlijk verwezenlijkt door te verwarmen.)

Vermindering van Dislocaties

De Minderjarige zegt, het „Eerste ding dat wij waren hebben waargenomen dat, vóór de test, de nanoscalepijlers van nikkel van dislocaties volledig waren. Maar aangezien wij de pijler samenpersten, werden alle dislocaties van het materiaal verdreven die - letterlijk de dislocatiedichtheid verminderen door 15 grootteordes en een perfect kristal produceren. Wij riepen dit effect het mechanische ontharden.“

Het Geconcentreerde Machinaal Bewerken van de Ionenstraal

De geteste pijlersMinderjarige en zijn collega's werden machinaal bewerkt van zuiver nikkel gebruikend een geconcentreerde ionenstraal (FIB), een nieuwe techniek voor het kleinschalige mechanisch-compressie testen eerst beschreven in 2004 door Michael Uchic van het Laboratorium van het Onderzoek van de Luchtmacht van de V.S. En zijn collega's. De FIB techniek maakt het mogelijk om veel kleinere die structuren tot stand te brengen dan het metaal „bakkebaarden“ eerst in de jaren '50 worden bestudeerd, die door kristallen te kweken worden gemaakt.

Enkele dislocaties de onderzoekers in de machinaal bewerkte die pijlers waarnamen waren vrij ondiep en veroorzaken door de ionenstralen zelf. Anderen breidden zich door het kristal uit en waren vermoedelijk reeds bestaande tekorten. Onder compressie, het mechanische veroorzaakte ontharden beide soorten tekort om te verdwijnen.

„Hoofdzakelijk ontsnappen alle dislocaties van het kristal aan de oppervlakte, en u krijgt geen opslag van dislocaties als u in grotere kristallen,“ de Minderjarige zegt. „Die Wat voortvloeit is een proces „dislocatieverhongering, „onlangs voorgesteld door William D. Nix van Stanford, onder anderen wordt genoemd, die snel werd één van de belangrijke theorieën heeft van waarom de kleinere structuren sterker zijn.“

De Minderjarige verklaart, het „Idee is dat als de dislocaties aan het materiaal ontsnappen alvorens zij zich kunnen op elkaar inwerken en vermenigvuldigen, daar niet genoeg actieve dislocaties is om de opgelegde misvorming toe te laten. De structuur kan slechts misvormen nadat de nieuwe dislocaties.“ worden gecreeerd Dit is precies het proces hij en zijn collega's waargenomen met Microscoop de In Situ van NCEM, sterk bewijsmateriaal dat „de dislocatieverhongering“ de correcte verklaring voor de verhoogde sterkte van kleine structuren is.

Materiële en Mechanische Ontharden het zonder gebreken

Wat gebeurt als een pijler zonder gebreken van het nanoscalenikkel blijft worden samengeperst? Iets moet geven, wat wanneer nieuwe bronnen van dislocatie „nucleate“ in het materiaal gebeurt. Aangezien de bestaande dislocaties in de pijler wegens het mechanische ontharden verdwijnen, gebeurt nucleation van nieuwe dislocatiebronnen bij progressief hoger beklemtoont.

In de pijlerstructuren, kan de plastic misvorming de vorm aannemen van het plotselinge afvlakken, het doen zwellen, het verdraaien, of het scheren van de pijler, zoals de uitbarstingen van nieuwe dislocaties zich door het verspreiden. Of de verharde die pijlers, sterker door mechanische te ontharden worden gemaakt, kunnen net neer in het substraat slaan - alhoewel de pijler en het substraat het zelfde ononderbroken stuk van metaal zijn. Beide processen werden gevangen in de dramatische op videocassette opgenomen experimenten van de Microscoop In Situ.

Figuur 2. voor Elektronenmicroscopie

Misvorming en Meetkunde

FIB machinaal bewerken gebruikt door de onderzoekers NCEM produceerde nikkelpijlers die lichtjes werden verminderd, en de onderzoekers merkten op dat deze meetkunde waar en hoe de plastic misvorming voorkwam, over het algemeen groter het zijn in de klein-diameter, vrij eind (bovenkant) van de pijler beïnvloedde.

Verbeterde Sterkte Zelfs in Steekproeven met Misvormingen

In grotere pijlers, die die 300 nanometers in diameter naderen, het mechanische was ontharden niet volledig, en sommige dislocaties bleven zichtbaar zelfs daarna compressie. Maar Toch zelfs stelden deze pijlers verbeterde sterkte tentoon, en de progressief hogere spanningen waren nodig om misvorming voort te zetten - onderstrepend het punt dat het de verwezenlijking van mobiele tekorten is die sterkte in deze kleine volumes bepaalt.

De „schoonheid van de pijler-testende meetkunde is dat wij spanning kunnen rechtstreeks bepalen. Dan kunnen wij gemeten correleren beklemtonen met afzonderlijke plastic in situ geregistreerde gebeurtenissen en interpreteren duidelijker de kwantitatieve gegevens van onze experimenten,“ zegt Minderjarige. Het „debat over wat de sterkte van een kleine structuur bepaalt is op bijna een kip-en-eivraag neergekomen - is iets sterk omdat u een hoge spanning nodig hebt om een dislocatie te bewegen die reeds daar is? Of is het sterk omdat u een hoge spanning aan nucleate een nieuwe dislocatie nodig hebt? In dit geval, schijnt het dat bronnucleation - d.w.z., het „ei“ - de bepalende factor.“ is

Erkenning

„Het Mechanische ontharden en de bron-beperkte misvorming in de kristallen van submicrometre-diameterNi,“ door Z.W. Shan, Raj Mishra, S.A. Syed Asif, Oden L. Warren, en Andrew M. Minor, verschijnen in Januari, de kwestie van 2008 van de Materialen van de Aard, vooruitgaan online publicatie 23 December, 2007 in http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html. Dit werk werd gedeeltelijk gesteund door een toelage van het Ministerie van de V.S. van Energie aan Hysitron, Inc., en ook door een toelage van het Bureau van DOE van Wetenschap, Bureau van de BasisWetenschappen van de Energie.

Bron: Lawrence Berkeley

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

Last Update: 13. June 2013 17:43

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit