金屬納米材料塑性變形機制張永欽

1、納米材料塑性變形機制 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1.3 材料中位錯起源與增殖機制人們發(fā)現(xiàn)材料中存在以下三種位錯起源機制： 均勻成核 晶界成核 界面成核位錯的增殖機制： 弗蘭克-里德位錯源 雙交滑移增殖機制 攀移增殖機制1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯1.3.1 基本特征 晶界發(fā)射位

2、錯 分子動力學模擬和大量的實驗觀察表明，納米結(jié)構(gòu)金屬中有位錯。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晶粒的位錯發(fā)射源和接受器：不全位錯從一個晶界發(fā)射，穿過整個晶粒后，最終被鄰近或相對的晶界吸收。理論分析認為，當晶粒尺寸小于某一臨界值時，全位錯形核比不全位錯形核所需的應(yīng)力大。另外，根據(jù)位錯理論，由于晶粒尺寸的減小，全位錯的形成和運動變得困難甚至不可能，晶界處將由發(fā)射全位錯變?yōu)榘l(fā)射不全位錯，因而納米結(jié)構(gòu)金屬更容易生成不全位錯1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯1.3.2 位錯的形核與增殖 研究表明，晶粒尺寸達到一個臨界尺寸時，位錯才能被激活，晶界才開始發(fā)射位錯。Yamakov等把已有全

3、位錯的滑移距離作為判定臨界晶粒尺寸的關(guān)鍵參數(shù)，當晶粒小于一定尺寸時，僅有不全位錯能在晶界形核Swygenhoven等對納米鋁中晶界發(fā)射位錯的形核與增殖進行了深入分析，并提出了幾個重要的新觀點： 領(lǐng)先與后續(xù)不全位錯分別從同一晶界的不同區(qū)域、甚至不同的晶界發(fā)射。 位錯的形核和增殖是兩個獨立的過程，位錯形核后并不一定增殖 晶界臺階在某種程度上可以阻止位錯增殖，這取決于臺階的幾何條件和柏氏矢量。位錯可以釘扎在這些晶界臺階，從而導(dǎo)致位錯扭折的堆積 位錯經(jīng)過一個釘扎點后會產(chǎn)生新的應(yīng)力集中 位錯的脫釘與溫度緊密相關(guān)，在釘扎區(qū)，位錯增殖相對容易，對溫度不太敏感。1.3 納米結(jié)構(gòu)金屬位錯1.3.3 位錯在塑性變

4、形過程中的作用分子動力學模擬表明，位錯是導(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，位錯往往是在高應(yīng)力應(yīng)變下得以激活，這遠高于實際實驗手段所能得到的。因此位錯是否是導(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)過單軸拉伸或軋制變形(塑性應(yīng)變相對很小)后的位錯行為，在一些晶粒中發(fā)現(xiàn)了全位錯。Carlton等從理論上分析了納米晶粒產(chǎn)生塑性應(yīng)變所需的位錯數(shù)目要遠小于粗晶金屬所需位錯數(shù)。由此可推斷，即使納米晶粒中僅有少量位錯，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Zheng等研究了位錯在塑性變形中不同階段的作用由于晶界滑移與位錯之間的

5、相互作用，變形過程可分為明顯的三個階段： 彈性階段，位錯不會產(chǎn)生； 塑性變形早期，晶界滑移導(dǎo)致晶粒轉(zhuǎn)動，位錯開始形成和運動； 塑性變形后期，位錯相互作用形位錯鎖或?qū)\晶等。盡管 納米結(jié)構(gòu)金屬中的位錯和晶界之間的關(guān)系相當復(fù)雜，但是多數(shù)研究者均認同位錯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 孿生在晶體變形過程中，當滑移由于某種原因難以進行時，晶體會采用孿生變形方式進行形變。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位錯與孿晶的相互作用位錯塞積并穿過孿晶界機制不全位錯平行孿晶界滑移機制貫穿位錯受限滑移機制1.4.1 納米孿晶金屬塑性變形v孿晶界密度對納米孿晶材料強度的影響1.4.1 納米孿晶金屬塑性變形當納米孿晶界的間距大于某一臨界尺寸時, 材料強度隨孿晶界間距較小而逐漸增大, 遵循HallPetch 關(guān)系. 當納米孿晶界的間距小于臨界尺寸時, 高密度的孿晶界會誘導(dǎo)位錯沿孿晶界萌生和運動, 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)不全位錯所占比例越來越大，且晶界位錯組態(tài)與常規(guī)不同，位錯計算公式是否適用有待于進一步探討。其中