金屬納米材料塑性變形機(jī)制張永欽

1、納米材料塑性變形機(jī)制 張永欽 15120982 1.1 納米材料物理特性 納米粒子特性：納米材料由納米粒子組成，納米粒子一般指尺寸在1-100nm間的粒子，它具有以下四方面特性，從而派生出傳統(tǒng)固體不具有的特殊性質(zhì)： 表面效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng)1.2 納米結(jié)構(gòu)塑性變形機(jī)制v滑移v孿晶 晶體滑移和孿生變形后的結(jié)構(gòu)與外形變化 銅單晶在4.2k的拉伸曲線(xiàn)1.3 材料中位錯(cuò)起源與增殖機(jī)制人們發(fā)現(xiàn)材料中存在以下三種位錯(cuò)起源機(jī)制： 均勻成核 晶界成核 界面成核位錯(cuò)的增殖機(jī)制： 弗蘭克-里德位錯(cuò)源 雙交滑移增殖機(jī)制 攀移增殖機(jī)制1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯(cuò)1.3.1 基本特征 晶界發(fā)射位

2、錯(cuò) 分子動(dòng)力學(xué)模擬和大量的實(shí)驗(yàn)觀察表明，納米結(jié)構(gòu)金屬中有位錯(cuò)。與粗晶金屬截然不同的是，納米結(jié)構(gòu)金屬中的晶界可以作為延伸到整個(gè)晶粒的位錯(cuò)發(fā)射源和接受器：不全位錯(cuò)從一個(gè)晶界發(fā)射，穿過(guò)整個(gè)晶粒后，最終被鄰近或相對(duì)的晶界吸收。理論分析認(rèn)為，當(dāng)晶粒尺寸小于某一臨界值時(shí)，全位錯(cuò)形核比不全位錯(cuò)形核所需的應(yīng)力大。另外，根據(jù)位錯(cuò)理論，由于晶粒尺寸的減小，全位錯(cuò)的形成和運(yùn)動(dòng)變得困難甚至不可能，晶界處將由發(fā)射全位錯(cuò)變?yōu)榘l(fā)射不全位錯(cuò)，因而納米結(jié)構(gòu)金屬更容易生成不全位錯(cuò)1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯(cuò)1.3.2 位錯(cuò)的形核與增殖 研究表明，晶粒尺寸達(dá)到一個(gè)臨界尺寸時(shí)，位錯(cuò)才能被激活，晶界才開(kāi)始發(fā)射位錯(cuò)。Yamakov等把已有全

3、位錯(cuò)的滑移距離作為判定臨界晶粒尺寸的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)晶粒小于一定尺寸時(shí)，僅有不全位錯(cuò)能在晶界形核Swygenhoven等對(duì)納米鋁中晶界發(fā)射位錯(cuò)的形核與增殖進(jìn)行了深入分析，并提出了幾個(gè)重要的新觀點(diǎn)： 領(lǐng)先與后續(xù)不全位錯(cuò)分別從同一晶界的不同區(qū)域、甚至不同的晶界發(fā)射。 位錯(cuò)的形核和增殖是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，位錯(cuò)形核后并不一定增殖 晶界臺(tái)階在某種程度上可以阻止位錯(cuò)增殖，這取決于臺(tái)階的幾何條件和柏氏矢量。位錯(cuò)可以釘扎在這些晶界臺(tái)階，從而導(dǎo)致位錯(cuò)扭折的堆積 位錯(cuò)經(jīng)過(guò)一個(gè)釘扎點(diǎn)后會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中 位錯(cuò)的脫釘與溫度緊密相關(guān)，在釘扎區(qū)，位錯(cuò)增殖相對(duì)容易，對(duì)溫度不太敏感。1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯(cuò)1.3.3 位錯(cuò)在塑性變

4、形過(guò)程中的作用分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，位錯(cuò)是導(dǎo)致納米晶粒塑性變形的主要原因 。但在這些模擬的模型中，位錯(cuò)往往是在高應(yīng)力應(yīng)變下得以激活，這遠(yuǎn)高于實(shí)際實(shí)驗(yàn)手段所能得到的。因此位錯(cuò)是否是導(dǎo)致塑性變形的原因還未定論。wu等利用高分辨TEM 研究了晶粒尺寸為2030nm的納米鎳經(jīng)過(guò)單軸拉伸或軋制變形(塑性應(yīng)變相對(duì)很小)后的位錯(cuò)行為，在一些晶粒中發(fā)現(xiàn)了全位錯(cuò)。Carlton等從理論上分析了納米晶粒產(chǎn)生塑性應(yīng)變所需的位錯(cuò)數(shù)目要遠(yuǎn)小于粗晶金屬所需位錯(cuò)數(shù)。由此可推斷，即使納米晶粒中僅有少量位錯(cuò)，仍然可能導(dǎo)致發(fā)生塑性變形。1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯(cuò)Zheng等研究了位錯(cuò)在塑性變形中不同階段的作用由于晶界滑移與位錯(cuò)之間的

5、相互作用，變形過(guò)程可分為明顯的三個(gè)階段： 彈性階段，位錯(cuò)不會(huì)產(chǎn)生； 塑性變形早期，晶界滑移導(dǎo)致晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，位錯(cuò)開(kāi)始形成和運(yùn)動(dòng)； 塑性變形后期，位錯(cuò)相互作用形位錯(cuò)鎖或?qū)\晶等。盡管 納米結(jié)構(gòu)金屬中的位錯(cuò)和晶界之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，但是多數(shù)研究者均認(rèn)同位錯(cuò)和晶界滑移的相互作用導(dǎo)致了納米結(jié)構(gòu)金屬的塑性變形1.4 孿生在晶體變形過(guò)程中，當(dāng)滑移由于某種原因難以進(jìn)行時(shí)，晶體會(huì)采用孿生變形方式進(jìn)行形變。研究表明，孿生總是萌發(fā)于局部應(yīng)力高度集中的地方，其所需的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移變形所需臨界分切應(yīng)力。1.4.1 納米孿晶金屬塑性變形v位錯(cuò)與孿晶的相互作用位錯(cuò)塞積并穿過(guò)孿晶界機(jī)制不全位錯(cuò)平行孿晶界滑移機(jī)制貫穿位錯(cuò)受限滑移機(jī)制1.4.1 納米孿晶金屬塑性變形v孿晶界密度對(duì)納米孿晶材料強(qiáng)度的影響1.4.1 納米孿晶金屬塑性變形當(dāng)納米孿晶界的間距大于某一臨界尺寸時(shí), 材料強(qiáng)度隨孿晶界間距較小而逐漸增大, 遵循HallPetch 關(guān)系. 當(dāng)納米孿晶界的間距小于臨界尺寸時(shí), 高密度的孿晶界會(huì)誘導(dǎo)位錯(cuò)沿孿晶界萌生和運(yùn)動(dòng), 從而引起材料的軟化效應(yīng).1.5 展望由于在納米結(jié)構(gòu)不全位錯(cuò)所占比例越來(lái)越大，且晶界位錯(cuò)組態(tài)與常規(guī)不同，位錯(cuò)計(jì)算公式是否適用有待于進(jìn)一步探討。其中