金屬所納米孿晶金屬形變機制的定量電子顯微學(xué)研究獲進(jìn)展

　　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)家長期關(guān)注的問題之一。作為一類大角度晶界，共格孿晶界能夠強烈地阻礙位錯的運動，提高材料的強度，一般來說孿晶片層厚度越小，納米孿晶材料的強度也應(yīng)該越高。然而，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孿晶片層厚度減小到一個臨界尺寸(約為15 nm)以下時，納米孿晶材料反而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。研究者利用分子動力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，這種軟化現(xiàn)象是由于軟化模式位錯的開動所致，不過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)特性與微觀變形機制之間的關(guān)系。

　　最近，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗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)孿晶片層厚度對不同類型位錯形核處的局部應(yīng)力集中有明顯影響，因此位錯的主導(dǎo)形核機制在某一臨界片層厚度(18 nm)會發(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，位錯活動的類型主要有兩種：I型(Hard mode I)位錯在孿晶界上的臺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，主導(dǎo)位錯機制從I型位錯的形核和滑移為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐?/FONT>III型位錯的形核和滑移為主。由于位錯形核和局部應(yīng)力集中有關(guān)，所以納米孿晶銅變形的主導(dǎo)位錯形核機制主要取決于孿晶界臺階處和孿晶界/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)力集中程度相等時對應(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)性能測試得到的臨界孿晶片層厚度(15nm) 相符，這為預(yù)測進(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。