Plasticity experiments have been conducted with single dislocation resolution in both indentation and wear studies using atomic force microscopy (AFM). The high force sensitivity and the small tip radii in AFM permit the measurement of the nucleation of single dislocations in plastically deformed nanoscale volumes. Nanoscale mechanical testing in an ultra-high vacuum (UHV) environment allows for the preparation of oxide-free surfaces, required for direct comparison between atomistic simulation and experiment. Moreover, nanoscale mechanical testing often shows increased strength compared to what is observed in macroscale testing, motivating the use of atomistic simulation to gain insight into new deformation mechanisms. Indentation experiments show that it is possible not only to observe single dislocation events but also determine the glide vector of the dislocation in three dimensions on KBr(001). Discontinuous displacements of the tip during indentation in both normal and lateral directions are indicative of yielding events, referred to as pop-ins. The measured displacement of the tip into the material during these events is on the order of one Ångström or less when blunt diamond coated tips are used as indenters. Larger pop-in displacements are measured with sharper probes, resulting from the localization of stress near the surface. Only with the use of AFM can such small, Ångström-sized pop-in displacements be observed. Indentation creep studies indicate that creep in nanoscale volumes is accommodated only through dislocation nucleation and glide. A comparison between creep measured with AFM-based indentation and instrumented nanoindentation highlights the importance of dislocation nucleation and glide at this length-scale. High resolution imaging of the indented structure on KBr(001) allows for the identification of dislocations and charges associated with them. Wear experiments have demonstrated the contribution of dislocations to wear on the atomic scale. The role of dislocations in wear experiments has been observed through the similar dislocation structures typically surrounding scratches and indents, as well as in pop-ins observed while scratching. The measured friction coefficient in nanoscale wear experiments is closer to those typically reported in macroscopic experiments. This finding suggests that while single-asperity experiments at low loads on flat surfaces may produce no or little wear, friction of real rough surfaces always involves some wear and plastic deformation of microscopic contacts between the two surfaces. / Des expériences de plasticité ont été menées pour des études d'indentation et d'usure avec une résolution de l'ordre d'une dislocation en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). La grande sensibilité de la force de l'AFM et les petits rayons des pointes AFM disponibles dans le commerce permettent la mesure de la nucléation de dislocations isolées pour des volumes plastiquement déformés à l'échelle nanométrique. Des essais nanomécaniques dans un environnement à ultravide (UHV) permettent de préparer des surfaces non-oxydées, nécessaires pour une comparaison directe entre la simulation à l'échelle atomique et les expériences. En outre, les essais nanomécaniques montrent souvent une résistance accrue par rapport à ce qui est observé dans le cas d'essais macroscopiques, motivant ainsi l'utilisation de la simulation à l'échelle atomique pour mieux comprendre les nouveaux mécanismes de déformation. Des expériences d'indentation montrent qu'il est possible non seulement d'observer les événements de dislocation isolée, mais également de déterminer le vecteur du plan de glissement de la dislocation en trois dimensions dans le cas du KBr(001). Les déplacements discontinus de la pointe au cours de l'indentation dans les directions normales et latérales nous donnent des renseignements sur les événements de plastification, dénommés pop-ins. Les déplacements discontinus de la pointe mesurés dans le matériau au cours de ces événements sont de l'ordre de un Ångström ou moins quand ces pointes, qui sont recouvertes de diamant, sont utilisées comme indenteur. De plus grandes déplacements de pop-in ont été mesurés dans le cas de pointes extra fines, résultant du fait que la contrainte se trouve localisée près de la surface. Des études de fluage par indentation indiquent que, dans le cas de volumes de l'ordre du nanomètre, le fluage est contenu par la présence de nucléation de dislocation et de glissement. Une comparaison entre le glissement mesuré dans le cas de l'indentation basée sur AFM et des instruments de nano-indentation souligne l'importance de la nucléation de dislocation et du glissement à cette échelle de longueur. L'imagerie à haute résolution de la structure indentée de KBr(001) permet l'identification des dislocations et des charges qui leurs sont associées. Des expériences d'usure ont démontré le rôle des dislocations dans le cas de l'usure à l'échelle atomique. La contribution des dislocations envers l'usure a été observée pour des structures de dislocations similaires entourant généralement les rayures et les indentations et dans le cas de pop-ins observés pendant le « scratch- ing ». Le coefficient de frottement mesuré pour des expériences d'usure à l'échelle nanométrique est plus proche de ceux qui sont habituellement observés à l'échelle macroscopique. Ces résultats suggèrent que, bien que dans le cas de mesures d'aspérités isolées faites sur des surfaces planes à l'aide de faibles charges puissent produire peu ou pas d'usure, le frottement dans le cas de réelles surfaces, qui sont en général plus rugueuses, implique toujours quelques phénomènes d'usure et de déformation plastique quand deux surfaces sont en contact à l'échelle microscopique.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.103684 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Egberts, Philip |
| Contributors | Peter H Grutter (Internal/Cosupervisor2), Roland Bennewitz (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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