Som strukturer av metall blir mindre - som deras dimensioner närmar mikrometerskala (miljondels meter) eller mindre - de blir starkare. Forskare upptäckte detta fenomen för 50 år sedan medan mäta styrkan av tenn "morrhår" några mikrometer i diameter och ett par millimeter i längd. Många teorier har föreslagits för att förklara varför mindre är starkare, men först nyligen har det blivit möjligt att se och spela in vad som faktiskt händer i små strukturer under stress.  Figur 1. Komprimering av en nickel pelare vars fria änden har en diameter på cirka 150 nanometer. Före komprimering (till vänster) pelaren har en hög täthet av defekter som syns som mörka fläckar. Efter kompression alla brister har drivits ut, en tidigare obemärkt process som kallas "mekaniska glödgning." Styrka på nanometernivå Andrew Mindre av Materialet Sciences Division vid institutionen för energi är Lawrence Berkeley National Laboratory, med kollegor från Hysitron Incorporated och General Motors forsknings-och utvecklingscenter, använde In Situ Mikroskop vid National Center for elektronmikroskopi (NCEM) för att spela in vad händer när pelare av nickel med diametrar mellan 150 och 400 nanometer (miljarddels meter) är komprimerade i en platt punch gjord av diamant. Den transmissionselektronmikroskop är utrustad så att proven kan framhållas, mätas och videofilmade samtidigt som observeras under elektronstrålen. "Vad styr deformering av ett metallföremål är vägen att fel, som kallas dislokationer, röra sig längs plan i sin kristallstruktur," Minor säger. "Resultatet av förskjutning spelkupong är plastisk deformation. Till exempel, bockning ett gem gör att dess biljoner dislokationer per kvadratcentimeter för att trassla upp och föröka sig när de stöter på varandra och glida längs många slip plan." Mekanisk deformation I allmänhet tenderar mekanisk deformation att öka antalet dislokationer i ett material. Men för småskaliga strukturer, med en mycket större andel av yta till volym, kan processen vara mycket olika. De filmade bilder från elektronmikroskop hjälpte forskarna förstå varför nanoskala nickel pelare är så starka genom att låta dem följa förändringar i mikrostrukturen av pelarna under deformationen - ". Mekaniska glödgning" inklusive en aldrig tidigare sett process forskarna dubbade (I bulkmaterial, glödgning, är en behandling som minskar tätheten av defekter, vanligtvis åstadkoms genom uppvärmning.) Minskning av Dislokationer Mindre säger: "Det första vi observerade var att innan testet var nanoskala pelare av nickel full av dislokationer Men som vi komprimerad pelaren var alla dislokationer konkurreras ut av materialet. - Bokstavligen minska dislokationstätheten med 15 storleksordningar och producera en perfekt kristall. Vi kallade denna effekt mekaniska glödgning. " Fokuserad jonstråle Bearbetning Pelarna Mindre och hans kollegor som testades var svarvade ur ren nickel med hjälp av en fokuserad jonstråle (FIB), en ny teknik för småskalig mekanisk-komprimering tester som först beskrevs 2004 av Michael Uchic av US Air Force Research Laboratory och hans kollegor. Den FIB Tekniken gör det möjligt att skapa mycket mindre strukturer än metal "morrhåren" först studerade på 1950-talet, som görs av växande kristaller. Några av dislokationer forskarna observerats i bearbetade pelarna var relativt grunt och orsakas av jonstrålar själva. Andra utökade genom kristallen och var förmodligen redan existerande defekter. Enligt kompression, orsakade mekaniska glödgning båda typerna av fel att försvinna. "Egentligen alla dislokationer fly från kristallen på ytan, och du inte får lagra dislokationer som du skulle i större kristaller," Minor säger. "Vilka resultat är en process som kallas" förskjutning svält ", som nyligen föreslagits av William D. Nix på Stanford, bland andra, som snabbt har blivit en av de ledande teorierna om varför mindre strukturer är starkare." Mindre förklarar: "Tanken är att om förskjutningar fly materialet innan de kan interagera och föröka sig, det finns inte tillräckligt aktiva dislokationer att aktivera åläggs deformation. Strukturen kan bara deformera efter nya dislokationer skapas." Det är just den process som han och hans kollegor observerats med NCEM s In Situ Mikroskop, starka bevis för att "störning svält" är den korrekta förklaringen till den ökade styrkan av små strukturer. Felfria Material och Mekanisk Glödgning Vad händer om en felfri nanoskala nickel pelare fortsätter att vara komprimerade? Något har att ge, vilket händer när nya källor till störningar "KÄRNA" i materialet. Eftersom den nuvarande störningarna försvinner i pelaren på grund av mekaniska glödgning, händer det kärnbildning av nya störningar källor på successivt högre påfrestningar. I pelare strukturer kan plastisk deformation i form av plötsliga plattas, svullen, vridning, eller klippning av pelaren, som skurar av nya dislokationer propagera genom den. Eller härdade pelarna förstärks av mekanisk glödgning kan stansa rätt ner i underlaget - även om pelaren och substrat är samma kontinuerliga bit metall. Båda processerna fångades i In Situ Mikroskop är videofilmade dramatiska experiment.  Figur 2. Andrew Minor med in situ-mikroskop vid Nationella Center för elektronmikroskop Deformation och geometri Den FIB bearbetning används av NCEM forskare producerade nickel pelare, som var något avsmalnande, och forskarna noterade att denna geometri påverkas om och hur plastisk deformation förekommit, i allmänhet är större i de mindre diameter, fria änden (överst) på pelaren. Förbättrad styrka även i prover med Deformationer I större pelare, de som närmar sig 300 nanometer i diameter, var mekanisk glödgning inte komplett, och vissa dislokationer kvar synlig även efter komprimering. Men även dessa pelare uppvisade ökad styrka, och successivt högre betonar behövdes för att fortsätta deformation - understryker poängen att det är skapandet av mobila defekter som avgör styrkan i dessa små volymer. "Det fina med pelare-testning geometri är att vi ärligt kan definiera stress. Då kan vi korrelera uppmätta betonar med diskreta plast händelser som registrerats på plats och tydligare tolka kvantitativa data från våra experiment", säger Minor. "Debatten om vad som bestämmer styrkan i en liten struktur har kommit ner till nästan en hönan-och-ägget-fråga - är något som starkt eftersom du behöver en hög stress för att flytta en störning som redan är där eller är det starkt att du behöver? ? en hög stress KÄRNA en ny störning I det här fallet verkar det som källa kärnbildning - det vill säga den "ägget" - är den avgörande faktorn ". Tack "Mekanisk glödgning och source-begränsad deformation i submicrometre diameter Ni kristaller" av ZW Shan, Raj Mishra, SA Syed Asif, Oden L. Warren, och Andrew M. Mindre visas i januari, 2008 numret av Nature Materials, förskott webbpublikation 23 December, 2007 kl http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2085.html . Detta arbete var delvis stöds av ett bidrag från US Department of Energy till Hysitron, Inc., och även genom ett bidrag från DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. |