本文關(guān)鍵詞：新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能及變形機(jī)制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

網(wǎng)友今晚不太方便近日為您收集整理了關(guān)于新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能及變形機(jī)制_曲紹興的文檔，，希望對(duì)您的工作和學(xué)習(xí)有所幫助。以下是文檔介紹：摘要“納米結(jié)構(gòu)”化是金屬及其合金材料獲得優(yōu)異力學(xué)性能的有效途徑.納米結(jié)構(gòu)金屬材料表面或內(nèi)部的缺陷,包括晶界、位錯(cuò)、孿晶、孔洞、裂紋、第二相等,其形核、演化及互相作用對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性具有重要影響.該文綜述了與上述科學(xué)問(wèn)題相關(guān)的新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)性能測(cè)試、強(qiáng)韌化機(jī)制計(jì)算模擬方面的研究進(jìn)展.并討論了急需從微觀尺度上就新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的特征力學(xué)行為和關(guān)鍵變形機(jī)制開(kāi)展深入、系統(tǒng)研究.關(guān)鍵詞納米結(jié)構(gòu),金屬材料,結(jié)構(gòu)表征,力學(xué)性能測(cè)試,強(qiáng)韌性能,計(jì)算模擬中圖分類號(hào):O341文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI:10.6052/1000-0992-14-046收稿日期:2014-06-17;錄用日期:2014-09-19;在線出版日期:2014-09-29yE-mail:squ@zju.引用方式:曲紹興,周昊飛.新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能及變形機(jī)制.力學(xué)進(jìn)展,2014,44:201409QuSX,ZhouHF.Mechanicalbehaviorsanddeformationmechanismsofnovelnano-structuredmetals.AdvancesinMechanics,2014,44:201409c?2014《力學(xué)進(jìn)展》版權(quán)所有1引言金屬及其合金材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、航空航天、交通運(yùn)輸、海洋裝備和國(guó)防軍工建設(shè)中不可或缺的結(jié)構(gòu)和功能材料.設(shè)計(jì)和制備性能優(yōu)異且實(shí)用性強(qiáng)的新型金屬材料一直是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的前沿課題.從德國(guó)科學(xué)家Gleiter(1989,1995,2000)首先提出“納米結(jié)構(gòu)”概念以來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和制造工藝的不斷精進(jìn),科學(xué)家們研制出越來(lái)越多新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料,包括納米線、納米柱、納米多層膜和納米孿晶片層材料.和傳統(tǒng)金屬材料相比,納米結(jié)構(gòu)金屬材料具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)(特征尺寸一般小于100nm),優(yōu)越的力學(xué)性能(超高的強(qiáng)度、超強(qiáng)的耐腐蝕性和超塑性)和獨(dú)特的變形規(guī)律,這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將新型納米結(jié)構(gòu)金屬研究推向了凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和固體力學(xué)研究領(lǐng)域的前沿.強(qiáng)度和韌性(或塑性)作為金屬材料的2個(gè)核心力學(xué)性能,決定著金屬材料在工程應(yīng)用中的使役表現(xiàn).大量的研究結(jié)果表明,傳統(tǒng)強(qiáng)化方法制備的納米結(jié)構(gòu)金屬材料的強(qiáng)度和韌性一般呈倒置關(guān)系,即提高材料強(qiáng)度會(huì)損失一定的韌性.如,納米多晶銅(簡(jiǎn)稱納晶銅)的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到傳統(tǒng)粗晶銅的6倍以上,但是納晶銅在常溫下的拉伸塑性很差,幾乎不具備均勻延伸的能力(Wangetal.2002).從微觀塑變機(jī)理解釋,這是由于傳統(tǒng)強(qiáng)化方法(如晶界強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等)引入的大量晶界和第二相夾雜抑制了晶格位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),而晶格位錯(cuò)的形核和滑移是多晶材料的基本塑性變形機(jī)制.缺陷盡管可以阻礙晶格位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),提高材料強(qiáng)度,但也降低了材料塑性流動(dòng)的能力.對(duì)于塊狀金屬玻璃而言,其屈服強(qiáng)度可以接近其理論強(qiáng)度,但常溫下塊狀金屬玻璃的拉伸塑性應(yīng)變極低(<0.5%).這是由于非晶態(tài)金屬?zèng)]有應(yīng)變硬化的能力,在拉伸載荷下材料中容易形成塑性變形高度局域化的剪切帶,進(jìn)而發(fā)生脆性斷裂,導(dǎo)致材料失效.強(qiáng)度和韌性這對(duì)看似不可調(diào)和的矛盾體,引發(fā)人們?nèi)ニ伎歼@樣一個(gè)問(wèn)題:如何調(diào)控納米結(jié)構(gòu)金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)以提高材料的綜合力學(xué)性能并消除或弱化強(qiáng)度和韌性的倒置關(guān)系,從而充分發(fā)揮納米結(jié)構(gòu)金屬材料的應(yīng)用價(jià)值.科學(xué)家們運(yùn)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算手段,制備了多種納米結(jié)構(gòu)金屬材料并對(duì)其微觀變形模式和強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行了大量的研究.中科院金屬所盧柯研究組在2004年發(fā)現(xiàn)了具有超高強(qiáng)度和導(dǎo)電性的納米孿晶金屬銅(Luetal.2004),隨后于2009又發(fā)現(xiàn)了納米孿晶銅中存在極值強(qiáng)度和超高加工硬化效應(yīng)(Luetal.2009);Chen等(2003)利用透射電鏡在納晶鋁中觀測(cè)到了形變孿生,提出晶粒尺寸的減小會(huì)引發(fā)塑性變形機(jī)理的轉(zhuǎn)變,即從位錯(cuò)滑移轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫儗\生;Shan等(2008)利用原位納米壓縮實(shí)驗(yàn)技術(shù),觀察到了微納米柱中位錯(cuò)的湮滅,揭示了機(jī)械退火機(jī)制;Jang和Greer(2010)發(fā)現(xiàn),當(dāng)直徑減小到100nm時(shí),鋯基非晶納米柱同時(shí)具備良好的強(qiáng)韌性能,強(qiáng)度為2.25GPa,塑性達(dá)到25%,并提出以下尺寸2典型納米結(jié)構(gòu)金屬材料2.1納米孿晶界及孿晶材料本節(jié)介紹共格納米孿晶界的微觀結(jié)構(gòu)、納米孿晶材料的變形機(jī)制和力學(xué)性能.共格孿晶界是一種特殊的低能大角度晶界,其兩側(cè)的晶格在界面上完全匹配,呈鏡面對(duì)稱關(guān)系,如圖1所示.共格孿晶界面無(wú)原子錯(cuò)排,故其界面能通常低于普通大角度晶界.以面心立方晶體銅為例,共格孿晶界能量為24mJ/m2,而普通晶界能量則高達(dá)625mJ/m2.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明,面心立方晶體中常見(jiàn)的孿生系統(tǒng)為{111}?11ˉ2?,體心立方晶體中為{11ˉ2}?111?,而密排六方晶體中則有{10ˉ12}?10ˉ11?和{11ˉ22}?ˉ1ˉ123?等孿生系統(tǒng)(Christian1995).納米孿晶界可以通過(guò)塑性變形、高溫退火和電沉積等多種方式獲得.采用脈沖電解沉積技術(shù),可以制備具有高密度納米尺寸生長(zhǎng)孿晶的超細(xì)晶純銅薄膜,并且獲得超高強(qiáng)度(是普通純銅的10倍以上)和高導(dǎo)電性(與無(wú)氧高導(dǎo)銅相當(dāng))(Luetal.2004).利用直流電解沉積還可以制備取向擇優(yōu)的柱狀晶納米孿晶銅(Youetal.2011,Youetal.2013).當(dāng)納米孿晶界都大致平行于沉積表面時(shí),材料的塑性變形呈現(xiàn)各向異性,變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變和相應(yīng)的力學(xué)性能取決于外加載荷的方向.盧柯研究組發(fā)展的動(dòng)態(tài)塑性變????AABBCTBAB圖1共格孿晶界鏡面對(duì)稱結(jié)構(gòu)(Luetal.2009)圖2新型納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料(CTB:共格孿晶界;ITB:非共格孿晶界;Twins:孿晶)(Luetal.2009,Bu?ordetal.2011,Jangetal.2012,Wangetal.2013)圖3受限位錯(cuò)在孿晶通道內(nèi)滑移(Zhouetal.2014)圖4割階位錯(cuò)跨越多個(gè)孿晶片層(Zhouetal.2014)ab圖5螺型位錯(cuò)與孿晶界反應(yīng)(al.2006)圖6非螺型位錯(cuò)與孿晶界反應(yīng)(al.2008,Wang&Sui2009)機(jī)制可以吸收大量的位錯(cuò),容納可觀的塑性變形,增強(qiáng)材料的加工硬化效應(yīng),這與傳統(tǒng)的大角度晶界強(qiáng)化方法有很大的不同.孿晶結(jié)構(gòu)在疲勞載荷的作用下也展現(xiàn)出特殊的形變機(jī)制.近期,Luo等觀察到厚度約為20nm的金屬薄膜在室溫疲勞加載作用下會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象,且大多數(shù)長(zhǎng)大的晶粒中出現(xiàn)了納米尺度的多重孿晶.原子尺度的分析發(fā)現(xiàn),疲勞加載下的孿生過(guò)程會(huì)改變晶粒的局部取向,促使晶界分解,形成易于遷移的片段.隨著循環(huán)周次的增加,兩個(gè)晶粒會(huì)逐漸合并形成一個(gè)大晶粒,如圖7.這一研究工作對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬材料的晶界設(shè)計(jì),對(duì)晶界穩(wěn)定性的利用與調(diào)控,以及提高材料疲勞可靠性具有重要的參考價(jià)值.為了研究孿晶界面對(duì)疲勞開(kāi)裂的影響機(jī)理,Li等設(shè)計(jì)并制備了一系列含有共格與非共格孿晶界面的銅雙晶樣品并開(kāi)展了其疲勞開(kāi)裂行為的研究(Lietal.2014a,2014b,2014c).研究結(jié)果表明,共格孿晶界與加載軸的夾角是材料疲勞開(kāi)裂的決定性因素之一,如圖8.當(dāng)孿

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