在多孔材料壓縮變形的初始階段，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線往往呈現(xiàn)一個較長應(yīng)力平臺。流變應(yīng)力在壓縮變形中幾乎保持恒定，直至致密化階段流變應(yīng)力才開始急劇上升。多孔材料的壓縮應(yīng)力平臺與其非均勻變形方式有關(guān)：在外加載荷下多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生局部失穩(wěn)坍塌，形成變形帶；該變形帶在恒定應(yīng)力下逐漸擴展至整個樣品。這一獨特變形方式是多孔材料的典型行為，也賦予了該材料抗沖擊、吸能等優(yōu)異性能。對于常規(guī)多孔材料，當相對密度或固相體積分量較低時，其壓縮應(yīng)力平臺較為明顯；隨著相對密度的提高，應(yīng)力平臺長度急劇縮短；當相對密度上升至~0.30以上，應(yīng)力平臺逐漸消失，多孔材料的壓縮變形也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴谌旅懿牧系木鶆蜃冃涡袨椤?nbsp;
近年來，納米多孔金屬因其高強度以及獨特的表面控制功能特性而備受關(guān)注。納米多孔金屬的變形行為與該材料的結(jié)構(gòu)—功能一體化應(yīng)用探索緊密相關(guān)，也是當前該領(lǐng)域的研究熱點之一。此前的研究表明，納米多孔金屬在壓縮下呈現(xiàn)均勻變形，而且在其應(yīng)力—應(yīng)變曲線上未見應(yīng)力平臺。一般認為，這是由于當前納米多孔金屬相對密度較高所致，壓縮應(yīng)力平臺有可能在相對密度更低的納米多孔金屬中出現(xiàn)。
與上述傳統(tǒng)認識相反，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的劉凌志副研究員（第一作者）、張燁元博士研究生、解輝特別研究助理和金海軍研究員（通訊作者）研究發(fā)現(xiàn)，通過進一步提高而非降低相對密度，可在納米多孔金中復(fù)現(xiàn)由非均勻變形誘發(fā)的壓縮應(yīng)力平臺。這一研究成果以“Transition from homogeneous to localized deformation in nanoporous gold”為題最近發(fā)表于Physical Review Letters期刊。
該團隊研究發(fā)現(xiàn)，隨著相對密度升高，納米多孔金壓縮加工硬化率急劇下降，在相對密度提高至~1/3以上時呈現(xiàn)完美的應(yīng)力平臺，其變形也從均勻變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鶆蜃冃?。這一變形方式的轉(zhuǎn)變與傳統(tǒng)多孔材料中觀察到的轉(zhuǎn)變方向完全相反，且機制不同。進一步結(jié)構(gòu)表征和分析表明，納米多孔金屬變形方式轉(zhuǎn)變源自于其孔棱變形從彎曲主導(dǎo)向拉壓主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。在較低相對密度納米多孔金的壓縮變形中，由于懸掛孔棱的搭接以及孔棱彎曲產(chǎn)生幾何必需位錯強化，從而誘發(fā)應(yīng)變硬化并抑制應(yīng)變局域化。而在較高相對密度納米多孔金中，孔棱在拉壓主導(dǎo)變形下更易于發(fā)生位錯滑移雪崩誘發(fā)的應(yīng)變失穩(wěn)，從而誘發(fā)局部變形帶的形成以及恒定載荷下遞進式的宏觀變形方式。這一轉(zhuǎn)變只在孔棱直徑小于200納米，且晶粒尺寸遠大于孔棱直徑的條件下存在，有可能是自組裝納米多孔結(jié)構(gòu)晶體材料的共同特征。
這也是在該臨界相對密度（~1/3）附近觀察到納米多孔金屬的異常力學(xué)行為（L.Z. Liu et al, Acta Mater 78(2016)77-87；L.Z. Liu et al, APL 110(2017)211902; H.J. Jin et al, MRS Bull 43(2018)35-42）和自發(fā)致密化行為（H. Xie et al, Acta Mater 209(2021)116806）后，該團隊發(fā)現(xiàn)的納米多孔金屬異于傳統(tǒng)多孔金屬的又一個特征行為。該系列工作對于發(fā)展結(jié)構(gòu)—功能一體化高性能納米多孔金屬材料、理解自組裝納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及表面控制力學(xué)響應(yīng)（H.J. Jin and J. Weissmueller, Science (2011); Y.Y. Zhang et al, Phys Rev Lett (2021)) 等均具有重要意義。
該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金面上項目和青年基金項目資助。
圖1. 納米多孔金的壓縮變形行為。(a) 不同相對密度納米多孔金的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。小圖為不同相對密度常規(guī)多孔鋁的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。(b) 不同相對密度納米多孔金歸一化后的加工硬化率隨壓縮應(yīng)變的變化情況。(c) 納米多孔金歸一化加工硬化率隨相對密度的變化。(d) 相對密度為0.36的NPG-35樣品的加工硬化率隨孔棱尺寸的變化情況。
圖2. 納米多孔金的均勻與非均勻變形。相對密度為0.27的NPG-25樣品 (a) 和相對密度為0.36的NPG-35樣品 (b) 壓縮不同應(yīng)變后的表面形貌光鏡照片。(c-d) 為NPG-25樣品壓縮20%前后局部變形情況?？梢娍桌獍l(fā)生彎曲變形和懸掛孔棱發(fā)生搭接。(e) 壓縮10%的NPG-35中，變形帶內(nèi)的孔棱發(fā)生位錯雪崩式滑移變形的痕跡。
