Size effects in small-scale structures of body-centered cubic metals

Abstract

Small-scale metal structures play a crucial role in a broad range of technological applications. However, knowledge of mechanical properties at this size scale is lacking. Size strengthening effects are generally experienced at the microscale. Compression of non-free defect body centered cubic (BCC) metal micropillars has revealed that the size effect of these metals scales with a temperature ratio that signifies how much the yield strength is governed by screw dislocation mobility. So far, no effort has been made to systematically study the effect of screw dislocation mobility and lattice resistance on the size effect in BCC-based metals. Thus, this work investigated this in BCC tungsten (W) and tantalum (Ta), as well as B2 beta-brass (β-CuZn) and nickel aluminide (NiAl). The influence of temperature on the size effect in W and Ta was studied up to 400 °C, whereas the room-temperature size effect in β-CuZn and NiAl was studied as a function crystal orientation and deformation rate. It was found that the size effect scaled with the magnitude of the lattice resistance, which is strongly related to the screw dislocation mobility. Direct evidence of the mobility of screw dislocations was observed for the first time. The results also showed that plastic anisotropy vanishes with decreasing sample size and that ductility is considerably improved, thus highlighting the importance of dislocation-nucleation controlled deformation and screw dislocation mobility at the sub-micron scale.

Metallische Strukturen auf Mikroskala spielen bei einer Vielzahl von technologischen Anwendungen eine wichtige Rolle – jedoch sind die Kenntnisse über mechanische Eigenschaften in dieser Größenordnung begrenzt. Größeneffekte kommen i. d. R. auf Mikroskala zum Tragen. Druckversuche mit krz-Mikropillars konnten zeigen, dass der Größeneffekt auf Mikroskala hauptsächlich vom Temperaturverhältnis abhängt, die Fließspannung also durch die Mobilität der Schraubenversetzungen bestimmt wird. Bisher liegen keine systematischen Untersuchungen des Einflusses der Mobilität von Schraubenversetzungen und des Gitterwiderstandes auf den Größeneffekt von krz-Metallen vor. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Fragestellung anhand von W und Ta sowie β-CuZn und NiAl aus der Phase B2 untersucht. Hierbei wurden der Temperatureinfluss auf den Größeneffekt von W und Ta bis 400°C und der Größeneffekt von β-CuZn und NiAl bei Raumtemperatur als Funktion der Kristallorientierung und Deformationsrate betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass der Größeneffekt mit dem Gitterwiderstand skaliert, somit also eng mit der Mobilität der Schraubenversetzungen in Zusammenhang steht. Die Ergebnisse von NiAl haben offengelegt, dass die plastische Anisotropie mit kleiner werdenden Proben bis in den Submikrometerbereich verschwindet und sich die Duktilität beträchtlich verbessert. Die Untersuchungen zeigen die Bedeutung von Deformation und Mobilität der Schraubenversetzungen bedingt durch Versetzungsnukleation.