超微細金属の機械的強度の決定

塑性変形に対する耐性は、材料の強度を決定します。金属の強度は、通常、結晶粒径の減少とともに増加する。このサイズ強化現象は、バルクサイズの金属の転位媒介変形メカニズムに基づくミリメートルからサブミクロンまでの伝統的なホール – ペッチ関係理論^1,2、すなわち、転位が粒界(GB)に積み重なり、その動きを妨げ、金属^3,4の機械的強化につながる。

対照的に、逆ホール−ペッチ関係と呼ばれることが多い機械的軟化は、過去20年間に微細ナノ金属について報告されている⁵、⁶、⁷、^8、9、10。したがって、ナノ金属の強度は、〜10nmまでの粒径^11,12について連続硬化が検出されたため、依然として不可解であり、一方、10nmレジーム未満のサイズ軟化の症例も^{報告されている7}、⁸、^9、10。この議論されたトピックの主な困難または課題は、超微細ナノ金属の機械的特性について統計的に再現可能な測定を行い、ナノ金属の強度と粒径との間に信頼できる相関関係を確立することである。難しさのもう一つの部分は、ナノ金属の塑性変形メカニズムの曖昧さから来ています。ナノスケールでの様々な欠陥またはプロセスが報告されており、転位13、14、変形双生15、16、17、積層欠陥¹⁵、^18、GB移動¹⁹、GB摺動⁵、⁶、²⁰、²¹、粒子回転²²、²³、²⁴、原子結合パラメータ²⁵、^26、27、28などしかし、どちらが塑性変形を支配し、ナノ金属の強度を決定するかはまだ不明である。

これらの上記の問題に対して、引張試験²⁹、ビッカース硬度試験^30,31、ナノ圧痕試験32、マイクロピラー圧縮33、³⁴、³⁵などの機械的強度試験の従来のアプローチは、ナノ構造材料の大きな部分の高品質が非常に製造が困難であり、従来の圧子が材料の単一のナノ粒子よりもはるかに大きいため^、あまり効果的ではありません( 単一粒子力学)。本研究では、これまでの研究で地球科学分野で用いられてきた様々な結晶粒径のナノニッケルの降伏応力と変形テクスチャリングをin situ追跡するために、放射状DAC XRD技術^36,37,38を材料科学に導入する。機械的強化は、以前に報告された最も実質的なサイズのナノ金属よりもはるかに小さい3nmまで拡張できることが見出されており、これは従来のホール-ペッチ関係の体制を拡大し、材料科学に対するrDAC XRD技術の重要性を示唆している。