發(fā)布時間：2020-07-24 14:27

【摘要】：體心立方(BCC)金屬納米線憑借其超高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的耐高溫、耐輻照性能,成為搭建苛刻環(huán)境服役的微納器件過程中不可或缺的結(jié)構(gòu)單元。然而,相比于面心立方(FCC)金屬,受本征晶體對稱關(guān)系和缺陷結(jié)構(gòu)的影響,BCC金屬的力學(xué)行為往往表現(xiàn)出更為復(fù)雜的微觀特征。且隨著晶體特征尺寸減小至幾十納米,顯著的體積效應(yīng)和表面效應(yīng),使得控制小尺寸BCC金屬塑性變形的載體發(fā)生了較大的改變。近年來,借助原位實驗技術(shù)和分子動力學(xué)模擬(MD)方法,研究人員逐漸開始對納米尺度下BCC金屬的變形行為進(jìn)行全面的探索。但是,相比于FCC納米金屬變形機(jī)制研究成果的系統(tǒng)性,迄今為止,BCC金屬納米線變形機(jī)制的研究很大程度上仍停留在理論模擬階段。本文結(jié)合獨(dú)特的納米線原位制備技術(shù)和先進(jìn)的原位力學(xué)實驗手段,深入研究了納米尺度下BCC金屬鈮(Nb)和鎢(W)的塑性變形行為,從原子尺度解析了不同力學(xué)加載過程中晶體結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化規(guī)律,多角度討論了相變、孿生和位錯機(jī)制對BCC金屬納米線力學(xué)行為的影響。具體包括以下幾個方面:1.發(fā)現(xiàn)了Nb納米線中取向轉(zhuǎn)動協(xié)調(diào)的超塑性變形行為。利用高分辨成像分析技術(shù),通過追蹤變形過程中晶體結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變,直觀揭示了拉應(yīng)變作用下Nb納米線的超塑性變形行為及其微觀機(jī)制。研究結(jié)果表明:高應(yīng)力狀態(tài)下,借助FCC亞穩(wěn)相的形成,Nb納米線實現(xiàn)了[100]BCC-[110]FCC-[111]BCC的連續(xù)取向調(diào)整;而變形孿生和位錯誘導(dǎo)晶體轉(zhuǎn)動的發(fā)生則使得Nb納米線圍繞其[111]晶帶軸發(fā)生了不同角度的旋轉(zhuǎn)。在同一根Nb納米線的拉伸變形過程中,相變、孿生和位錯行為的相繼發(fā)生使得納米線發(fā)生了5次以上的取向轉(zhuǎn)動;而晶體取向轉(zhuǎn)動引發(fā)的拉伸軸方向調(diào)整又進(jìn)一步促進(jìn)了不同變形機(jī)制的啟動;最終,通過多重變形機(jī)制的協(xié)同作用,Nb納米線實現(xiàn)了高達(dá)269%的超塑性變形�；谠映叨扔^察和統(tǒng)計性原位力學(xué)測試,本文不僅深入分析了BCC-Nb拉伸變形過程中亞穩(wěn)相、孿晶和位錯的形核與擴(kuò)展過程,還首次驗證了Nb納米線的超塑性來源于連續(xù)取向調(diào)整過程中多重變形機(jī)制的協(xié)同作用,為BCC金屬納米線力學(xué)性能的優(yōu)化提供了一個全新的思路。2.揭示了BCC金屬納米線的反孿生變形行為及其尺寸依賴性。以原位制備的W、Nb納米線為模型材料,通過對比不同加載取向及加載模式下缺陷結(jié)構(gòu)的形成與演化過程,首次發(fā)現(xiàn)了 BCC金屬的反孿生變形行為。對于BCC晶體而言,孿晶的形成通常是由相鄰{112}孿晶面上次第發(fā)生的[111]正向剪切所導(dǎo)致;當(dāng)剪切方向由[111]變?yōu)閇111]時,孿生位錯運(yùn)動的阻力將顯著增加,因此,早期研究并不認(rèn)為BCC金屬中存在反孿生變形行為。然而,原位力學(xué)測試表明[110]-W、[111]-W和[121]-Nb納米線的拉伸變形中均可發(fā)生相類似的反孿生變形行為,從實驗上首次證實了反孿生的存在。此外,相較于20 nm-W納米線[110]拉伸加載下的反孿生變形行為,同樣變形條件下45 nm-W納米線的塑性變形則由位錯所控制,表明了BCC金屬的反孿生變形具有很強(qiáng)的尺寸依賴性。BC C金屬納米線的反孿生變形行為及其尺寸依賴性的發(fā)現(xiàn)不僅推進(jìn)了尺寸效應(yīng)影響下BCC金屬中反常塑性變形行為的系統(tǒng)性研究,還進(jìn)一步引發(fā)了人們對傳統(tǒng)BCC結(jié)構(gòu)中孿生-反孿生非對稱模型的重新思考。3.闡釋了加載方式對W納米線變形機(jī)制的影響。為了考察復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下BCC金屬納米線的塑性變形行為,揭示不同載荷模式對塑性變形機(jī)制的影響,本文通過精確調(diào)控外力加載方向與納米線軸向之間的夾角,系統(tǒng)研究了單軸和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下112-W納米線的塑性變形行為。研究結(jié)果表明:單軸加載時,W納米線的塑性變形由位錯機(jī)制所主導(dǎo)。然而,當(dāng)載荷模式轉(zhuǎn)至拉伸與彎曲復(fù)合加載時,變形孿生取代了位錯滑移成為控制W納米線塑性變形的主要機(jī)制。而結(jié)合不同加載軸偏轉(zhuǎn)角度下滑移和孿生系統(tǒng)取向因子的計算可知:復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下位錯和孿生的競爭過程中最大分切應(yīng)力的分布起到了決定性的作用。此外,特定[110]帶軸的高分辨成像分析進(jìn)一步揭示了復(fù)雜應(yīng)力作用下臺階型孿晶界面的產(chǎn)生。與常規(guī){112}平直孿晶界相比,這類孿晶界由許多離散的{112}原子臺階組成,而其沿著111帶軸的投影卻會呈現(xiàn)出單一{110}晶面的特征。這一發(fā)現(xiàn)為BCC晶體孿晶結(jié)構(gòu)的精確解析提供了非常重要的實驗依據(jù)。本文從原子尺度解析了BCC-FCC-BCC相變、孿生、反孿生、位錯滑移這四種不同塑性機(jī)制作用下BCC金屬納米線中缺陷結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,深入分析了加載方式、納米線取向及晶體尺寸等因素對BCC納米線塑性變形行為的影響,進(jìn)一步拓展了學(xué)術(shù)界對納米BCC金屬力學(xué)行為的認(rèn)識,為探索微尺度下BCC金屬的塑性變形行為提供了新的思路。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TG14
【圖文】：

度上揭示了邋ＢＣＣ晶體變形過程中表現(xiàn)出復(fù)雜取向依賴關(guān)系的原因。逡逑目前，學(xué)術(shù)界通常用標(biāo)準(zhǔn)微分位移圖來表示ＢＣＣ結(jié)構(gòu)中位錯的芯結(jié)構(gòu)［６８］，逡逑以反映由位錯引入的近鄰原子間的相對位移，如圖１．２所示ｆ６９］。沿［１１１］方向（伯逡逑格斯矢量６方向）以６的大小為周期進(jìn)行投影，圖中每一個空心圓點(diǎn)表示一列原逡逑子，箭頭表示相鄰兩列原子垂直于紙面方向的位移差，且箭頭線段的長度與位移逡逑差的大小成正比。對于不同的ＢＣＣ金屬而言，其位錯的核結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別，逡逑通�？煞譃閷ΨQ核結(jié)構(gòu)和非對稱核結(jié)構(gòu)。但是，由于ＢＣＣ金屬螺位錯核區(qū)域內(nèi)逡逑的原子相對位移方向大都與位錯線方向平行且垂直于位錯線方向平面內(nèi)的原子逡逑位移量非常小，通過高分辨透射成像（ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＴＥＭ，邋ＨＲＴＥＭ）技術(shù)從實逡逑驗上觀察ｆｌ／２＜ｌｌｌ＞邋為該ＢＣＣ金屬的晶格常數(shù)）螺位錯芯區(qū)的原子結(jié)構(gòu)仍然逡逑十分困難，所以目前大多數(shù)研究仍局限于理論模擬范疇。逡逑（ａ）邐？邋－邋？邋－。邐0邋－邋？邋－邋？邐（ｂ）邐？邋－邋？邋－邋？邐？邋？邋？邋？邋？逡逑＇邋？邋＊邋？邋＞邋＼邋＼邋％邋、邋１邋＊、、》邋／邋＼邋％邋？逡逑？邐°邐？邐？邐？邐？邐＾邐0邐S緬義希澹掊澹苠�、逦／邋＇逦＃邋＼邋＊邋０欏＊逦＇逦＾邋＼逦＼逦＼邋？逦＼辶x希�、．邋．，－．．ｉ｀嶖、．逦／－＇�

本文編號：2768963