journal article·2014-03

Emergence of external size effects in the bulk-scale polycrystal to small-scale single-crystal transition: A maximum in the strength and strain-rate sensitivity of multicrystalline Cu micropillars

J.Y. Zhang, X. Liang, P. Zhang, K. Wu, G. Liu, J. Sun

Acta Materialia· Volume 66
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Abstract

Abstract Using microcompression methodology, various plastic deformation characteristics, namely the strength, strain-rate sensitivity (SRS) and activation volume, of 〈1 0 0〉-single-crystalline (SC) Cu micropillars and nanostructured multicrystalline (MC) Cu micropillars with several grains were systematically investigated at different strain rates for a wide range of external sample sizes ranging from 300 to 2000 nm. The results revealed that the paradigm of “smaller is stronger” for small-scaled SC pillars holds true in nanostructured MC Cu micropillars above the strongest external size; however, below this size, a decrease in the external size triggers the reverse size effect, i.e. “smaller is weaker”. The appropriate introduction of grain boundaries into SC pillars can markedly improve the smoothness of their plastic flow and significantly enhance their SRS. Additionally, we demonstrated that the SRS of MC Cu pillars increases with decreasing size up to a certain limit and then decreases with a further decrease in the external sample size; thus, a maximum SRS emerges. A phenomenological model was proposed to rationalize the scaling behavior of the activation volume with the external sample size and to highlight the effect of the internal feature size on the rate-limiting behavior of conventional bulk nanostructured metals (Cu).
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Research context

OpenAlex topics: Microstructure and mechanical properties · High-Velocity Impact and Material Behavior · Advanced Surface Polishing Techniques

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References (90)

Show source-provided references
1. Greer · Prog Mater Sci · 2011 · 56 · 65410.1016/j.pmatsci.2011.01.005 ↗
2. Dehm · Prog Mater Sci · 2009 · 54 · 66410.1016/j.pmatsci.2009.03.005 ↗
3. Uchic · Science · 2004 · 305 · 98610.1126/science.1098993 ↗
4. Arzt · Acta Mater · 1998 · 46 · 561110.1016/S1359-6454(98)00231-6 ↗
5. Uchic · Annu Rev Mater Res · 2009 · 39 · 36110.1146/annurev-matsci-082908-145422 ↗
6. Kraft · Annu Rev Mater Res · 2010 · 40 · 29310.1146/annurev-matsci-082908-145409 ↗
7. Kiener · Mater Sci Eng A · 2009 · 505 · 7910.1016/j.msea.2009.01.005 ↗
8. Kiener · Acta Mater · 2011 · 59 · 132810.1016/j.actamat.2010.10.065 ↗
9. Kiener · Acta Mater · 2008 · 56 · 58010.1016/j.actamat.2007.10.015 ↗
10. Jennings · Acta Mater · 2011 · 59 · 562710.1016/j.actamat.2011.05.038 ↗
11. Jennings · Phys Rev Lett · 2010 · 104 · 13550310.1103/PhysRevLett.104.135503 ↗
12. Friedman · Phy Rev Lett · 2012 · 109 · 09550710.1103/PhysRevLett.109.095507 ↗
13. Maaß · Acta Mater · 2009 · 57 · 599610.1016/j.actamat.2009.08.024 ↗
14. Maaß · Acta Mater · 2012 · 60 · 102710.1016/j.actamat.2011.11.007 ↗
15. Schneider · Phys Rev Lett · 2009 · 103 · 10550110.1103/PhysRevLett.103.105501 ↗
16. Frick · Mater Sci Eng A · 2008 · 489 · 31910.1016/j.msea.2007.12.038 ↗
17. Zimmermann · Acta Mater · 2012 · 60 · 461410.1016/j.actamat.2012.02.042 ↗
18. Zimmermann · Acta Mater · 2012 · 60 · 460410.1016/j.actamat.2012.02.043 ↗
19. Shan · Nat Mater · 2008 · 7 · 11510.1038/nmat2085 ↗
20. Greer · Phys Rev B · 2006 · 73 · 24541010.1103/PhysRevB.73.245410 ↗
21. Kiener · Nano Lett · 2011 · 11 · 381610.1021/nl201890s ↗
22. Oh · Nat Mater · 2009 · 8 · 9510.1038/nmat2370 ↗
23. Mompiou · Acta Mater · 2012 · 60 · 97710.1016/j.actamat.2011.11.005 ↗
24. Rao · Acta Mater · 2008 · 56 · 324510.1016/j.actamat.2008.03.011 ↗
25. Tang · Phys Rev Lett · 2008 · 100 · 18550310.1103/PhysRevLett.100.185503 ↗
26. Dimiduk · Science · 2006 · 312 · 118810.1126/science.1123889 ↗
27. Csikor · Science · 2007 · 318 · 25110.1126/science.1143719 ↗
28. Zhang · Int J Plasticity · 2013 · 50 · 110.1016/j.ijplas.2013.03.009 ↗
29. Dao · Acta Mater · 2007 · 55 · 404110.1016/j.actamat.2007.01.038 ↗
30. Schiotz · Nature · 1998 · 391 · 56110.1038/35328 ↗
31. Meyers · Prog Mater Sci · 2006 · 51 · 42710.1016/j.pmatsci.2005.08.003 ↗
32. Cheng · Acta Mater · 2005 · 53 · 152110.1016/j.actamat.2004.12.005 ↗
33. Chen · Scripta Mater · 2006 · 54 · 191310.1016/j.scriptamat.2006.02.022 ↗
34. Wang · Acta Mater · 2006 · 54 · 271510.1016/j.actamat.2006.02.013 ↗
35. Schwaiger · Acta Mater · 2003 · 51 · 515910.1016/S1359-6454(03)00365-3 ↗
36. Karanjgaokar · Acta Mater · 2012 · 60 · 535210.1016/j.actamat.2012.06.018 ↗
37. Gu · Acta Mater · 2011 · 59 · 686110.1016/j.actamat.2011.07.019 ↗
38. Lu · Acta Mater · 2009 · 57 · 516510.1016/j.actamat.2009.07.018 ↗
39. Rinaldi · Acta Mater · 2008 · 56 · 51110.1016/j.actamat.2007.09.044 ↗
40. Chen · Scripta Mater · 2011 · 64 · 71710.1016/j.scriptamat.2010.12.031 ↗
41. Alshehri · Acta Mater · 2013 · 61 · 4010.1016/j.actamat.2012.09.009 ↗
42. Jang · Scripta Mater · 2011 · 64 · 7710.1016/j.scriptamat.2010.09.010 ↗
43. Greer · Acta Mater · 2005 · 53 · 182110.1016/j.actamat.2004.12.031 ↗
44. Zhang · Acta Mater · 2012 · 60 · 405410.1016/j.actamat.2012.03.056 ↗
45. Zhang · Acta Mater · 2012 · 60 · 718310.1016/j.actamat.2012.09.027 ↗
46. Kiener · Scripta Mater · 2009 · 60 · 14810.1016/j.scriptamat.2008.09.024 ↗
47. Lee · Acta Mater · 2009 · 57 · 440410.1016/j.actamat.2009.06.002 ↗
48. Han · Scripta Mater · 2010 · 63 · 115310.1016/j.scriptamat.2010.08.011 ↗
49. Sneddon · Int J Eng Sci · 1965 · 3 · 4710.1016/0020-7225(65)90019-4 ↗
50. Bharathula · Acta Mater · 2010 · 58 · 578910.1016/j.actamat.2010.06.054 ↗
51. Xie · Acta Mater · 2013 · 61 · 43910.1016/j.actamat.2012.09.022 ↗
52. Bei · Acta Mater · 2008 · 56 · 476210.1016/j.actamat.2008.05.030 ↗
53. Schneider · Mater Sci Eng A · 2013 · 559 · 14710.1016/j.msea.2012.08.055 ↗
54. Lu · Acta Mater · 2005 · 53 · 216910.1016/j.actamat.2005.01.031 ↗
55. Han · Acta Mater · 2012 · 60 · 634110.1016/j.actamat.2012.08.009 ↗
56. Wu · Acta Mater · 2013 · 61 · 183110.1016/j.actamat.2012.11.053 ↗
57. Gu · Nano Lett · 2012 · 12 · 638510.1021/nl3036993 ↗
58. Jang · Nano Lett · 2011 · 11 · 174310.1021/nl2003076 ↗
59. Zerilli · J Appl Phys · 1987 · 61 · 181610.1063/1.338024 ↗
60. Kiener · Acta Mater · 2011 · 59 · 382510.1016/j.actamat.2011.03.003 ↗
61. Dimiduk · Acta Mater · 2005 · 53 · 406510.1016/j.actamat.2005.05.023 ↗
62. Schiotz · Science · 2003 · 301 · 135710.1126/science.1086636 ↗
63. Lu · Science · 2009 · 323 · 60710.1126/science.1167641 ↗
64. Shen · Scripta Mater · 2006 · 55 · 31910.1016/j.scriptamat.2006.04.046 ↗
65. Kiener · Mater Sci Eng A · 2007 · 459 · 26210.1016/j.msea.2007.01.046 ↗
66. Mayer · MRS Bull · 2007 · 32 · 40010.1557/mrs2007.63 ↗
67. Shim · Acta Mater · 2009 · 57 · 50310.1016/j.actamat.2008.09.033 ↗
68. Zimmermann · Scripta Mater · 2010 · 62 · 74610.1016/j.scriptamat.2010.02.013 ↗
69. Kiener · Philos Mag · 2012 · 92 · 326910.1080/14786435.2012.685966 ↗
70. Bei · Scripta Mater · 2007 · 57 · 39710.1016/j.scriptamat.2007.05.010 ↗
71. Richter · Nano Lett · 2009 · 9 · 304810.1021/nl9015107 ↗
72. Chisholm · Acta Mater · 2012 · 60 · 225810.1016/j.actamat.2011.12.027 ↗
73. Zhang · Acta Mater · 2011 · 59 · 736810.1016/j.actamat.2011.08.016 ↗
74. Arzt · Prog Mater Sci · 2001 · 46 · 28310.1016/S0079-6425(00)00015-3 ↗
75. Christian · Prog Mater Sci · 1995 · 39 · 110.1016/0079-6425(94)00007-7 ↗
76. Van Swygenhoven · Acta Mater · 2006 · 54 · 197510.1016/j.actamat.2005.12.026 ↗
77. Yamakov · Nat Mater · 2004 · 3 · 4310.1038/nmat1035 ↗
78. Zhang · Scripta Mater · 2013 · 68 · 63910.1016/j.scriptamat.2012.12.024 ↗
79. El-Awady · Int J Plasticity · 2011 · 27 · 37210.1016/j.ijplas.2010.06.006 ↗
80. Zhou · Acta Mater · 2011 · 59 · 767310.1016/j.actamat.2011.08.032 ↗
81. Wei · J Mater Sci · 2007 · 42 · 170910.1007/s10853-006-0700-9 ↗
82. Mompiou · Acta Mater · 2012 · 60 · 340210.1016/j.actamat.2012.02.049 ↗
83. Li · Metall Mater Trans B · 1970 · 1 · 114510.1007/BF02900225 ↗
84. Estrin · Acta Mater · 2007 · 55 · 640110.1016/j.actamat.2007.07.052 ↗
85. Nabarro · Acta Metall Mater · 1990 · 38 · 16110.1016/0956-7151(90)90044-H ↗
86. Dunstan · Int J Plasticity · 2013 · 40 · 15210.1016/j.ijplas.2012.08.002 ↗
87. Hartmaier · Model Simul Mater Sci Eng · 1999 · 7 · 78110.1088/0965-0393/7/5/310 ↗
88. S̀wiatnicki · Acta Mater · 1986 · 34 · 59910.1016/0001-6160(86)90175-6 ↗
89. Zhu · Prog Mater Sci · 2010 · 55 · 71010.1016/j.pmatsci.2010.04.001 ↗
90. Suresh · Nature · 2008 · 456 · 71610.1038/456716a ↗