納米孿晶金屬以其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的導(dǎo)電性受到廣泛關(guān)注，該材料的變形行為是材料學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題之一。作為一類(lèi)大角度晶界，共格孿晶界能夠強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)孿晶片層厚度越小，納米孿晶材料的強(qiáng)度也應(yīng)該越高。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孿晶片層厚度減小到一個(gè)臨界尺寸(約為15 nm)以下時(shí)，納米孿晶材料反而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。研究者利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種軟化現(xiàn)象是由于軟化模式位錯(cuò)的開(kāi)動(dòng)所致，不過(guò)到目前為止還未定量地確定納米孿晶金屬的這一宏觀力學(xué)特性與微觀變形機(jī)制之間的關(guān)系。
最近，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部杜奎研究組與材料疲勞與斷裂研究部盧磊研究組合作，通過(guò)原位透射電鏡觀察和定量應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)孿晶片層厚度對(duì)不同類(lèi)型位錯(cuò)形核處的局部應(yīng)力集中有明顯影響，因此位錯(cuò)的主導(dǎo)形核機(jī)制在某一臨界片層厚度(18 nm)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。這一研究揭示了塊體納米孿晶材料的微觀變形機(jī)制與宏觀力學(xué)性能之間的直接聯(lián)系。
研究結(jié)果表明，在等軸晶納米孿晶銅的屈服階段，位錯(cuò)活動(dòng)的類(lèi)型主要有兩種：I型(Hard mode I)位錯(cuò)在孿晶界上的臺(tái)階處形核并在傾斜于孿晶界的滑移面上滑移；III型 (Soft mode)位錯(cuò)在孿晶界/晶界交界處形核并在孿晶界上滑移。當(dāng)孿晶片層厚度下降到12-37 nm時(shí)，主導(dǎo)位錯(cuò)機(jī)制從I型位錯(cuò)的形核和滑移為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐?/span>III型位錯(cuò)的形核和滑移為主。由于位錯(cuò)形核和局部應(yīng)力集中有關(guān)，所以納米孿晶銅變形的主導(dǎo)位錯(cuò)形核機(jī)制主要取決于孿晶界臺(tái)階處和孿晶界/晶界交界處的局部應(yīng)力集中程度。而局部應(yīng)力集中受孿晶片層厚度的影響，在孿晶界臺(tái)階處的局部應(yīng)力集中隨著孿晶片層厚度的減小而緩慢減小，而孿晶界/晶界交界處的應(yīng)力集中隨著片層厚度的減小而顯著增加。兩者應(yīng)力集中程度相等時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界孿晶片層厚度為18nm。這一原子尺度定量應(yīng)變分析的結(jié)果與宏觀力學(xué)性能測(cè)試得到的臨界孿晶片層厚度(15nm) 相符，這為預(yù)測(cè)進(jìn)而優(yōu)化具有納米片層結(jié)構(gòu)的金屬材料的力學(xué)性能提供了一條新途徑。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部973計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文已于7月16日在線(xiàn)發(fā)表于《自然-通訊》上(Nature Communications 6:7648 (2015), DOI: 10.1038/ncomms8648)。
圖1 (a-d) I型位錯(cuò)在孿晶界上形核并滑移穿越孿晶界的動(dòng)態(tài)過(guò)程。(e-h) III型位錯(cuò)在孿晶界/晶界交界處形核并且在孿晶界上滑移的原位動(dòng)態(tài)過(guò)程和相應(yīng)的示意圖。
圖2 具有不同孿晶片層厚度l的納米孿晶銅在原位形變過(guò)程中的兩類(lèi)位錯(cuò)的比例。
圖3 (a) 孿晶界發(fā)射I型位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。(b) I型位錯(cuò)發(fā)射前的剪切應(yīng)變分布。(c) 圖(b)中黑框區(qū)域內(nèi)的定量分析。(d) 孿晶界/晶界交界處發(fā)射III型位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。(e) III型位錯(cuò)發(fā)射前的剪切應(yīng)變分布。(f) 圖(e)中黑框區(qū)域內(nèi)的定量分析。
圖4 納米孿晶銅中對(duì)應(yīng)于不同孿晶片層厚度l的孿晶界上臺(tái)階處和孿晶界/晶界交界處的應(yīng)力集中因子K。
