納米材料的力學(xué)性能

3.1納米材料的力學(xué)性能編輯ppt3.1.1納米材料的晶界及缺陷編輯ppt納米材料的晶界及缺陷

納米固體材料是由顆?；蚓Я３叽鐬?-100nm的粒子凝聚而成的三維塊體。納米固體材料的基本構(gòu)成是納米微粒加上它們之間的界面。物理上的界面不只是指一個(gè)幾何分界面，而是指一個(gè)薄層，這種分界的表面（界面）具有和它兩邊基體不同的特殊性質(zhì)。因?yàn)槲矬w界面原子和內(nèi)部原子受到的作用力不同，它們的能量狀態(tài)也就不一樣，這是一切界面現(xiàn)象存在的原因。編輯ppt納米固體材料的基本結(jié)構(gòu)組成納米晶體材料＝晶粒組元＋晶界組元納米非晶材料＝非晶組元＋界面組元納米準(zhǔn)晶材料＝準(zhǔn)晶組元＋界面組元納米固體材料＝顆粒組元＋界面組元

4編輯ppt納米固體材料的界面組元界面組元體積分?jǐn)?shù)假設(shè)納米微粒的粒徑d為5nm，界面平均厚度δ為1nm，且微粒為球體，則界面組元的體積分?jǐn)?shù)Ct為：若取一微體積ΔV，假設(shè)單位體積內(nèi)的界面組元面積為St，則ΔV內(nèi)界面組元比表面積為：5編輯ppt納米材料晶界結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

納米材料中晶界占有很大的體積分?jǐn)?shù)，這是評(píng)定納米材料的一個(gè)重要參數(shù)。:晶界的厚度，通常包括2～3個(gè)原子間距。：晶粒的直徑

：晶界體積分?jǐn)?shù)

假設(shè)晶粒的平均尺寸為5nm，晶界的厚度為1nm，則由上式可計(jì)算出晶界所占的體積分?jǐn)?shù)為50％。編輯ppt晶粒/nm晶界厚度/nm晶粒個(gè)數(shù)/2×2×2m3晶界體積分?jǐn)?shù)/％

20000.610.09200.61069.0100.60.8×10718.040.61.3×10842.620.610980.5晶粒直徑與晶界體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系晶界在常規(guī)粗晶材料中僅僅是一種面缺陷。對(duì)納米材料來(lái)說(shuō)：晶界不僅僅是一種缺陷，更重要的是構(gòu)成納米材料的一個(gè)組元，即晶界組元（GrainBoundaryComponent）。已經(jīng)成為納米固體材料的基本構(gòu)成之一，并且影響到納米固體材料所表現(xiàn)出的特殊性能！編輯ppt晶界厚度與晶界體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系相同晶粒尺寸時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致晶界厚度不同。bcc結(jié)構(gòu)晶界厚度：1nm左右fcc結(jié)構(gòu)晶界厚度：0.5nm左右Bcc結(jié)構(gòu)晶界體積分?jǐn)?shù)蒙特卡洛模擬曲線fcc結(jié)構(gòu)晶界體積分?jǐn)?shù)蒙特卡洛模擬曲線1、對(duì)金屬和合金納米材料來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)不同，使得晶界厚度不同。2、對(duì)納米復(fù)合陶瓷來(lái)說(shuō)，合成方法不同，晶界厚度變化很大。編輯ppt類(lèi)氣態(tài)模型Gleiter于1987年提出

認(rèn)為納米微晶界面內(nèi)原子排列既非長(zhǎng)程有序，又非短程有序，而是一種類(lèi)氣態(tài)的，無(wú)序程度很高的結(jié)構(gòu)。晶界的原子結(jié)構(gòu)-一直存在爭(zhēng)論：該模型與大量事實(shí)有出入，至1990年以來(lái)文獻(xiàn)上不再引用該模型。9編輯ppt

短程有序模型

認(rèn)為納米材料的界面排列是有序的,與粗晶結(jié)構(gòu)無(wú)區(qū)別。但進(jìn)一步研究表明，界面組元的原子排列的有序化是局域性的，而且，這種有序排列是有條件的，主要取決于界面的原子間距ra和顆粒大小d，當(dāng)時(shí)，界面組元的原子排列是局域有序的；反之，界面組元?jiǎng)t為無(wú)序結(jié)構(gòu)。10編輯ppt界面可變結(jié)構(gòu)模型

也稱(chēng)結(jié)構(gòu)特征分布模型。強(qiáng)調(diào)界面結(jié)構(gòu)的多樣性，即納米材料的界面不是單一的、同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多種多樣的，因此，不能用一種簡(jiǎn)單的模型概括所有的界面組元的特征。界面缺陷態(tài)模型

其中心思想是界面包含大量缺陷，其中三叉晶界對(duì)界面性質(zhì)的影響起關(guān)鍵作用。11編輯ppt納米Pd薄膜的高分辨透射電鏡圖像有人在同一個(gè)Pd試樣中用高分辨率透射電鏡既觀察到有序的界面，如圖中A、B晶粒之間的晶界；也觀察到原子排列十分混亂的界面，如圖中D、E晶粒之間的晶界。因此，要用一種模型統(tǒng)一納米材料晶界的原子結(jié)構(gòu)是十分困難的。編輯ppt

要用一種模型統(tǒng)一納米材料晶界的原子結(jié)構(gòu)是十分困難的。盡管如此，還是可以認(rèn)為納米材料的晶界與普通粗晶的晶界結(jié)構(gòu)無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。納米材料晶界的原子結(jié)構(gòu)平面示意圖可用左圖來(lái)表示，圖中實(shí)心圖表示晶粒內(nèi)的原子，空心圖表明晶界處的原子。

納米材料晶界平面示意圖編輯ppt納米晶界結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

盡管納米晶的晶界原子結(jié)構(gòu)與粗晶的無(wú)本質(zhì)區(qū)別，然而它們還具有以下不同于粗晶晶界結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：晶界具有大量未被原子占據(jù)的空間或過(guò)剩體積（ExcessVolume）；低的配位數(shù)和密度；大的原子均方間距；存在三叉晶界；編輯ppt晶界相對(duì)配位數(shù)與原子間距的關(guān)系在納米晶材料的晶界上有大量的未被原子占據(jù)的位置或空間納米晶晶界上的原子具有大的原子均方間距和低的配位數(shù)。晶界原子配位數(shù)/單晶原子配位數(shù)=相對(duì)配位數(shù)

晶間原子間距越大，配位數(shù)越低。納米晶材料晶間原子的熱振動(dòng)要大于粗晶的晶間原子的熱振動(dòng)，例如由8.3nm晶粒組成的Pd塊體在室溫時(shí)晶間原子熱振動(dòng)偏離點(diǎn)陣位置平均為3.1±0.1％，而粗晶材料為2.3～2.7％。因此，納米晶晶界處的密度較普通粗晶晶界的密度有較明顯的降低。編輯ppt納米固體材料中的三叉晶界

所謂三叉晶界，指三個(gè)或三個(gè)以上相鄰晶粒之間的交叉區(qū)域，也稱(chēng)旋錯(cuò)。于晶界體積分?jǐn)?shù)。這就意味著三叉晶界對(duì)納米晶體材料的性能影響是非常大的。

三叉晶界體積分?jǐn)?shù)對(duì)晶粒尺寸的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大計(jì)算表明：當(dāng)晶粒直徑從100nm減小到2nm時(shí)，三叉晶界體積分?jǐn)?shù)增加3個(gè)數(shù)量級(jí)，而晶界體積分?jǐn)?shù)僅增加1個(gè)數(shù)量級(jí)。16編輯ppt晶粒直徑對(duì)晶間、晶界、和三叉晶界體積分?jǐn)?shù)的影響

圖中晶界厚度為1nm，晶間區(qū)為晶界和三叉晶界區(qū)之和。左圖表明，當(dāng)晶粒小于2nm時(shí)，三叉晶界的體積分?jǐn)?shù)已超過(guò)界面的體積分?jǐn)?shù)。由于三叉晶界處的原子擴(kuò)散更快，運(yùn)動(dòng)性更好。

因此，納米材料中大量存在的三叉晶界將對(duì)材料的性能產(chǎn)生很大的影響。編輯ppt納米材料中的結(jié)構(gòu)缺陷

在常規(guī)晶體材料中，不可避免地存在缺陷。分別為：點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）、線缺陷（位錯(cuò)）、面缺陷（晶界、亞晶界）；

上述因素均導(dǎo)致納米材料的缺陷密度比常規(guī)晶體材料大得多。而納米固體材料中，存在：界面原子排列混亂；界面原子配位不全；納米粉體壓制成塊體的過(guò)程中，晶格常數(shù)發(fā)生變化。18編輯ppt納米固體材料的結(jié)構(gòu)缺陷有三種類(lèi)型：點(diǎn)缺陷（空位、空位對(duì)、空位團(tuán)、溶質(zhì)原子、雜質(zhì)原子等）、屬于0維缺陷。線缺陷（刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合型位錯(cuò)等）、屬于1維缺陷面缺陷（層錯(cuò)、相界、晶界、三叉晶界、孿晶界等）、屬于2維缺陷。缺陷是實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域。納米材料結(jié)構(gòu)中平移周期遭到很大破壞，界面原子排列比較混亂，界面中原子配位數(shù)不全使得缺陷增加。另外，納米粉體壓成塊體后，晶格常數(shù)會(huì)增加或減少，晶格常數(shù)的變化也會(huì)使缺陷增加。這就是說(shuō)，納米材料實(shí)際上是缺陷密度十分高的一種材料。編輯ppt點(diǎn)缺陷

納米材料中，界面體積分?jǐn)?shù)比常規(guī)多晶材料大得多，這使得空位、空位團(tuán)和孔洞等點(diǎn)缺陷增多。空位

空位主要存在于晶界上，是在納米固體由顆粒壓制成塊體的過(guò)程中形成的?？瘴粓F(tuán)

空位團(tuán)主要存在于三叉晶界上，其形成一部分歸結(jié)為單個(gè)空位的擴(kuò)散、聚集，另一部分是在壓制塊體時(shí)形成的。20編輯ppt孔洞孔洞一般處于晶界上，其主要源于原硬團(tuán)聚中原先存在孔洞，高溫?zé)Y(jié)無(wú)法消除硬團(tuán)聚體，因此，孔洞就會(huì)被保留下來(lái)；納米微粒表面易吸附氣體，壓制過(guò)程中形成氣孔，一經(jīng)燒結(jié)，氣體逃逸，留下孔洞。

孔洞隨退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)收縮，甚至?xí)耆В蛇_(dá)到納米材料的致密化。21編輯ppt位錯(cuò)又可稱(chēng)為差排（英語(yǔ)：dislocation），在材料科學(xué)中，指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)缺陷）。從幾何角度看，位錯(cuò)屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對(duì)材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響。若一個(gè)晶面在晶體內(nèi)部突然終止于某一條線處，則稱(chēng)這種不規(guī)則排列為一個(gè)刃位錯(cuò)。刃位錯(cuò)附近的原子面會(huì)發(fā)生朝位錯(cuò)線方向的扭曲。納米材料中的位錯(cuò)編輯ppt納米材料中的位錯(cuò)認(rèn)為納米材料中晶界是納米材料的組元之一而不是缺陷，那么納米材料的點(diǎn)缺陷就可能是主要的缺陷，不存在位錯(cuò)。觀點(diǎn)一觀點(diǎn)二在納米晶粒內(nèi)存在著位錯(cuò)，但位錯(cuò)的的組態(tài)和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)行為都與常規(guī)晶體的不同，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的自由程很短。23編輯ppt觀點(diǎn)三

1990年代，高分辨率電鏡在多種納米材料中觀察到位錯(cuò)、孿晶，這就在實(shí)驗(yàn)上無(wú)可爭(zhēng)辯地證明納米晶內(nèi)存在位錯(cuò)、孿晶等缺陷。觀點(diǎn)四Gryaznov從理論上分析了納米材料的尺寸效應(yīng)對(duì)晶粒內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)的影響。他們認(rèn)為納米晶粒內(nèi)的位錯(cuò)具有尺寸效應(yīng)。提出了位錯(cuò)穩(wěn)定存在的臨界尺寸d<lp，位錯(cuò)不穩(wěn)定，離開(kāi)此晶粒d>lp，位錯(cuò)穩(wěn)定地存在于該晶粒中G：切變模量，b：柏氏矢量，：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣摩擦力24編輯ppt金屬納米晶粒內(nèi)位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長(zhǎng)度1、不同金屬納米晶粒位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長(zhǎng)度不同。如Cu\Al\Ni等2、當(dāng)金屬晶粒的形態(tài)不同時(shí)，

特征長(zhǎng)度也有所不同。編輯ppt納米材料中位錯(cuò)與晶粒大小之間的關(guān)系

由于位錯(cuò)在材料科學(xué)研究中占有極其重要的地位，金屬材料的強(qiáng)度、塑性、斷裂等理論都是建立在位錯(cuò)等缺陷的基礎(chǔ)上，因此，弄清納米材料的位錯(cuò)與晶粒大小的關(guān)系是十分重要的。Coch總結(jié)了在納米材料中位錯(cuò)與晶粒大小之間的關(guān)系，認(rèn)為：當(dāng)晶粒尺寸在50～100nm之間，溫度<0.5（熔點(diǎn)）時(shí)，位錯(cuò)的行為決定了材料的力學(xué)性能。隨著晶粒尺寸的減小，位錯(cuò)的作用開(kāi)始減小。當(dāng)晶粒尺寸小于50nm時(shí)可認(rèn)為基本上沒(méi)有位錯(cuò)行為。當(dāng)晶粒尺寸小于10nm時(shí)產(chǎn)生新的位錯(cuò)很困難。當(dāng)晶粒小于約2nm時(shí)，開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)源的應(yīng)力達(dá)到無(wú)位錯(cuò)晶粒的理論切應(yīng)力。

對(duì)于位錯(cuò)在納米材料中的行為需要從理論上和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行更深入的研究。編輯ppt3.1.2納米材料力學(xué)性能概述編輯ppt納米材料力學(xué)性能概述1996-1998年，Coch等人總結(jié)出四條納米材料與常規(guī)晶粒材料不同的結(jié)果：納米材料的彈性模量較常規(guī)晶體材料降低了30%-50%。納米純金屬的硬度或強(qiáng)度是大晶粒（1um）金屬的2-7倍。納米材料可具有負(fù)的Hall-Petch關(guān)系。即隨著晶粒尺寸減小，材料的強(qiáng)度降低。在較低的溫度下，如室溫附近脆性的陶瓷或金屬間化合物在具有納米晶時(shí)，具有塑性或是超塑性。編輯ppt有些結(jié)論不正確前期關(guān)于納米材料的彈性模量大幅降低的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，主要是納米Pd、CaF2塊體的彈性模量大幅降低。20世紀(jì)90年代后期的研究工作表明，納米材料的彈性模量降低了30%-50%的結(jié)論是不能成立的。理由是：前期制備的樣品具有高的孔隙度和低的密度及制樣過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷，從而造成的彈性模量的不正常的降低。編輯ppt納米材料孔隙率和彈性模量的關(guān)系孔隙率越大，彈性模量下降越大納米粉體壓制成的固體材料有較高的孔隙率，直接影響彈性模量純銅彈性模量：127GPa編輯ppt彈性模量modulusofelasticity：又稱(chēng)彈性系數(shù)，楊氏模量。

彈性材料的一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)。

定義為：理想材料在小形變時(shí)應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比。表征材料抵抗彈性變形的能力，其數(shù)值大小反映該材料彈性變形的難易程度，用E表示。其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。

彈性模量E:是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，相當(dāng)于普通彈簧中的剛度。編輯ppt彈性模量的實(shí)質(zhì)彈性模量E是原子之間的結(jié)合力在宏觀上的反映，取決于原子的種類(lèi)（鋼/銅）及其結(jié)構(gòu)（金剛石/石墨），對(duì)組織的變化不敏感。換句話說(shuō)就是彈性模量宏觀上是材料抵抗彈性變形能力的大小，實(shí)質(zhì)上是原子、離子、或分子之間鍵合強(qiáng)度的反應(yīng)，因此其大小取決于原子的種類(lèi)及結(jié)構(gòu)納米晶的彈性模量要受晶粒大小的影響，晶粒越細(xì)，所受的影響越大，E的下降越大。原因：晶粒越細(xì)，納米材料中的晶界越多，晶界處的原子排列不規(guī)則并且疏松，原子間距較大，鍵合強(qiáng)度較弱！

編輯ppt晶粒尺寸對(duì)彈性模量的影響納米晶粒尺寸和彈性模量的關(guān)系左圖：Fe、Ni等納米粉體壓制的固體材料晶粒尺寸和彈性模量的關(guān)系，虛線/實(shí)線分別為晶界厚度0.5nm/1nm時(shí)的測(cè)量曲線。從圖中可知，當(dāng)晶粒小于20nm時(shí)，彈性模量下降到粗晶的95%，晶粒尺寸小于5nm時(shí)，彈性模量才明顯下降。編輯ppt材料納米晶試樣粗晶試樣參考文獻(xiàn)晶粒尺寸(nm)（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）Au6078.5±2(80K)--82.9(80K)--Sakai,199926～4076.5±2(80K)------Sakai,19996079.0±4(20K)--84(20K)--Sakai,1999Ag60～0.8--(=82.7)--Kobelev,1993Cu10～22106±2(RT)*--124(RT)--Sander,1997a10～22112±4(RT)*41.2±1.5(RT)131(RT)48.5(RT)Sander,1997a26107------Shen,199515～6145±9(RT)--130(RT)--Nieman,1989Pd36，47129,119(RT)*--132(RT)--Sander,1997a16～54123±6(RT)*44.7±2(RT)132(RT)47.5(RT)Sander,1997a1282±4(RT)------Sander,19955～1544±22(RT)--121(RT)--Nieman,1992--88(RT）32（RT）123(RT)43(RT)Korn,19886--35（RT）--43(RT)Weller,1991納米晶的彈性模量和粗晶粒相比沒(méi)有下降那么多晶粒尺寸5-15nm，彈性模量才有降低用不同方法測(cè)量的Au、Ag、Cu、Pd納米晶樣品和粗晶樣品彈性模量比較編輯ppt結(jié)論：1997年以前關(guān)于Ag、Cu、Pd納米晶樣品的彈性模量值明顯偏低，其主要原因是材料的密度偏低引起的！對(duì)接近理論密度納米金（26～60nm）的研究表明，其相對(duì)彈性模量大于0.95，晶界和晶粒的彈性模量之比≈0.7～0.8。

編輯ppt錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致美好的幻想Karch等人1987年觀察到納米CaF2在80℃和TiO2在180℃下壓縮具有明顯塑性，使那些為陶瓷增韌奮斗了將近一個(gè)世紀(jì)的材料科學(xué)界看到了希望，認(rèn)為納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。然而，Coch指出CaF2、TiO2的這些試驗(yàn)結(jié)果是不能重復(fù)的，試樣的多孔隙性造成了這些材料具有明顯的塑性，尚未獲得納米材料室溫超塑性的實(shí)例。編輯pptHall-Patch公式－硬度與晶粒尺寸的關(guān)系

是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。大于此極限的外力作用，將會(huì)使零件永久失效，無(wú)法恢復(fù)。如低碳鋼的屈服極限為207MPa，當(dāng)大于此極限的外力作用之下，零件將會(huì)產(chǎn)生永久變形，小于這個(gè)的，零件還會(huì)恢復(fù)原來(lái)的樣子。屈服強(qiáng)度？編輯ppt硬度表示，即為H=H0+kd-1/2

對(duì)各種粗晶材料都是適用的。多數(shù)測(cè)量表明，納米材料的強(qiáng)度在晶粒很小時(shí)遠(yuǎn)低于Hall-Petch公式的計(jì)算值。編輯ppt實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著晶粒尺寸減小k>0，材料的硬度升高，如Fe等k<0，材料的硬度降低，如Ni-P等合金k>0→k<0，硬度先升高后降低，如Ni、Fe-Si-B和TiAl等合金k=0，硬度不發(fā)生變化。編輯ppt異常的Hall-Petch關(guān)系的客觀原因：

試樣的制備和處理方法不同。這必將影響試樣的原子結(jié)構(gòu)特別是界面原子結(jié)構(gòu)和自由能的不同從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不同。特別是前期研究中樣品的孔隙度較大，密度較低，缺陷較多，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性和不可比性。

實(shí)驗(yàn)和測(cè)量方法所造成的誤差。前期研究多用在小塊體試樣上測(cè)量出的顯微硬度值Hv來(lái)代替大塊體試樣的，很少有真正的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。這種替代本身就具有很大的不確定性，而且Hv的測(cè)量誤差較大。同時(shí)，對(duì)晶粒尺寸的測(cè)量和評(píng)價(jià)中的變數(shù)較大而引起較大的誤差。編輯ppt除了上述客觀影響因素外，有人從變形機(jī)制上來(lái)解釋反常的Hall-Petch關(guān)系。

例如，在納米晶界存在大量的旋錯(cuò)，晶粒越細(xì)，旋錯(cuò)越多。旋錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶界的軟化甚至使晶粒發(fā)生滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，使納米晶材料的整體延展性增加，因而使值變?yōu)樨?fù)值。編輯ppt為了使Hall-Petch公式能適用于晶粒細(xì)小的納米材料，有人提出了位錯(cuò)在晶界堆積或形成網(wǎng)絡(luò)的模型-如下圖所示。該模型在Hall-Petch公式引入了d-1項(xiàng)，這項(xiàng)在晶粒尺寸小于10nm時(shí)將起決定性作用變形時(shí)，各向異性導(dǎo)致應(yīng)力集中在晶界處，形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)+kd-1模型缺陷：然而這些模型中皆沿用，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。在缺乏位錯(cuò)行為的納米材料中，可能根本就不存在，這是這類(lèi)模型所無(wú)法處理的問(wèn)題。編輯ppt

Gleiter等人提出在給定溫度下納米材料存在一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)晶粒大于臨界尺寸使k是正值；晶粒小于臨界尺寸時(shí)k是負(fù)值，即反映出反常的Hall-Petch關(guān)系。

Coch認(rèn)為當(dāng)納米晶材料晶粒尺寸很小時(shí)（約小于30nm），材料中缺少可動(dòng)位錯(cuò)。因此，建立在位錯(cuò)基礎(chǔ)上的變形理論就不能起作用。編輯pptGryaznov等人計(jì)算了納米晶中存在穩(wěn)定位錯(cuò)和位錯(cuò)堆積的臨界尺寸：對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，柏氏矢量在0.2nm－0.3nm時(shí)，臨界尺寸：

Lp=15nm認(rèn)為當(dāng)金屬的晶粒約小于15nm時(shí)，位錯(cuò)的堆積就不穩(wěn)定。這些計(jì)算結(jié)果量化了Gleiter的臨界尺寸。d<lp，位錯(cuò)不穩(wěn)定，離開(kāi)此晶粒d>lp，位錯(cuò)穩(wěn)定地存在于該晶粒中G：切變模量，b：柏氏矢量，：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣摩擦力編輯ppt反常Hall-Petch關(guān)系的本質(zhì)產(chǎn)生反常Hall-Petch關(guān)系的機(jī)制或本質(zhì)是當(dāng)納米晶粒小于位錯(cuò)產(chǎn)生穩(wěn)定堆積或位錯(cuò)穩(wěn)定的臨界尺寸時(shí)，建立在位錯(cuò)理論上的變形機(jī)制不能成立。Hall-Petch公式是建立在粗晶材料上的經(jīng)驗(yàn)公式，是建立在位錯(cuò)理論基礎(chǔ)上的。在位錯(cuò)堆積不穩(wěn)定或位錯(cuò)不穩(wěn)定的條件下，Hall-Petch公式本身就不能成立。人們對(duì)納米材料的強(qiáng)度、變形等現(xiàn)象還缺乏很好的了解，還需要進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究。編輯ppt3.1.3納米金屬的強(qiáng)度和塑性編輯ppt納米金屬的強(qiáng)度和塑性納米Pd、Cu等塊體試樣的硬度試驗(yàn)表明，納米材料的硬度一般為同成分的粗晶材料硬度的2-7倍。由納米Pd、Cu、Au等的拉伸試驗(yàn)表明，其屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度均高于同成分的粗晶金屬。例如：納米Fe的斷裂強(qiáng)度為6000MPa，遠(yuǎn)高于微米晶的500MPa。納米銅的屈服強(qiáng)度350MPa，粗晶銅的為260MPa。編輯ppt存在的問(wèn)題—試驗(yàn)方面上述結(jié)果大多是用微型樣品測(cè)得的。眾所周知，微型樣品測(cè)得的數(shù)據(jù)往往高于常規(guī)宏觀樣品測(cè)得的數(shù)據(jù)，且兩者之間還存在可比性問(wèn)題。目前，有關(guān)納米材料強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限，缺乏拉伸特別是大試樣拉伸的實(shí)驗(yàn)。編輯ppt缺乏關(guān)于納米材料強(qiáng)化機(jī)制的研究。對(duì)微米晶材料來(lái)說(shuō)，已有明確的強(qiáng)化機(jī)制，即固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化，這些強(qiáng)化機(jī)制都建立在位錯(cuò)理論基礎(chǔ)上。究竟是什么機(jī)制使得納米材料的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于微米晶材料的屈服強(qiáng)度，目前還缺乏合理的解釋。存在的問(wèn)題—理論方面編輯ppt納米金屬的塑性

在拉伸和壓縮兩種不同的應(yīng)力狀態(tài)下，納米金屬的塑性和韌性顯示出不同的特點(diǎn)：拉應(yīng)力作用下，納米晶金屬的塑、韌性大幅度下降。如，納米Cu的拉伸伸長(zhǎng)率僅為6%，是同成分粗晶伸長(zhǎng)率的20%。納米金屬的晶粒尺寸與伸長(zhǎng)率的關(guān)系1997年以前研究者測(cè)定的納米晶Ag、Cu、Pd和Al等金屬的伸長(zhǎng)率和晶粒大小的關(guān)系。在晶粒尺寸小于100nm的范圍內(nèi)，大多數(shù)伸長(zhǎng)率小于5%，并隨著尺寸減小拉伸率急劇降低，晶粒小于30nm的金屬基本上是脆性斷裂。表現(xiàn)出與粗晶金屬完全不同的塑性行為編輯ppt對(duì)大多數(shù)的材料,當(dāng)其應(yīng)力低于彈性極限時(shí),應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是線性的，表現(xiàn)為彈性行為，也就是說(shuō)，當(dāng)移走載荷時(shí)，其應(yīng)變也完全消失。而應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，發(fā)生的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，塑性變形不可逆。評(píng)價(jià)金屬材料的塑性指標(biāo)包括伸長(zhǎng)率（延伸率）A和斷面收縮率Z表示。鑄鐵VS銅？塑性？編輯ppt納米金屬的塑性

粗晶金屬的塑性隨著晶粒的減小而增大是由于晶粒的細(xì)化使晶界增多，而晶界的增多能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展。而納米晶的晶界似乎不能阻止裂紋的擴(kuò)展。主要原因有：納米晶金屬的屈服強(qiáng)度的大幅度提高，使拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，因而在拉伸過(guò)程中試樣來(lái)不及充分變形就產(chǎn)生斷裂。（一般來(lái)說(shuō)，硬度高則塑性低）納米晶金屬的密度低，內(nèi)部含有較多的孔隙等缺陷，而納米晶金屬由于屈服強(qiáng)度高，因而在拉應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)這些內(nèi)部缺陷以及金屬的表面狀態(tài)特別敏感。納米晶金屬中的雜質(zhì)元素含量較高，從而損傷了納米金屬的塑性。納米晶金屬在拉伸時(shí)缺乏可移動(dòng)的位錯(cuò)，不能釋放裂紋尖端的應(yīng)力。編輯ppt如何提高拉伸應(yīng)力下納米金屬塑性？雜質(zhì)對(duì)納米晶金屬的塑性的影響控制雜質(zhì)的含量。減少孔隙度和缺陷、提高密度。

可以大幅度提高拉伸應(yīng)力下納米金屬的塑性和韌性。實(shí)驗(yàn)表明全致密、無(wú)污染的納米Cu拉伸率可達(dá)30%以上。編輯ppt納米金屬的塑性在壓應(yīng)力狀態(tài)下，納米晶金屬能表現(xiàn)出很高的塑性和韌性。納米Cu在壓應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度比拉應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度高兩倍，但仍顯示出很好的塑性。納米Pd、Fe試樣的壓縮實(shí)驗(yàn)也表明，其屈服強(qiáng)度高達(dá)GPa水平，斷裂應(yīng)變可達(dá)20%，這說(shuō)明納米晶金屬具有良好的壓縮塑性。編輯ppt納米金屬的塑性其原因可能是：在壓應(yīng)力作用下金屬內(nèi)部的缺陷得到修復(fù)，密度提高?；蚣{米晶金屬在壓應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)內(nèi)部的缺陷或表面狀態(tài)不敏感所致。在壓縮情況下納米晶銅和粗晶銅相比有更好的延展率，延展率達(dá)到5100%，遠(yuǎn)高于拉伸情況下的塑性。納米晶銅和粗晶銅的變形量編輯ppt納米金屬塑性變形機(jī)制

總之，在位錯(cuò)機(jī)制不起作用的情況下，在納米晶金屬的變形過(guò)程中，少有甚至沒(méi)有位錯(cuò)行為。此時(shí)晶界的行為可能起主要作用，這包括晶界的滑動(dòng)、與旋錯(cuò)有關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可能伴隨有由短程擴(kuò)散引起的自愈合現(xiàn)象。此外，機(jī)械孿生也可能在納米材料變形過(guò)程中起到很大的作用。

因此，要弄清納米材料的變形和斷裂機(jī)制，人們還需要做大量的探索和研究。編輯ppt3.1.4納米復(fù)合材料的力學(xué)性能編輯ppt納米復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的納米組元均勻混合在一起而組成的材料。2-2維復(fù)合0-3維復(fù)合從力學(xué)性能角度考慮，人們最關(guān)心的是2-2維、0-3維和0-0型復(fù)合材料。編輯ppt2-2維復(fù)合－自然界和生物材料的微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)自然界中：具有2-2維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的天然珍珠，貝殼具有和釉瓷相似的強(qiáng)度，但韌性顯著高于釉瓷。硬質(zhì)的碳酸鹽等無(wú)機(jī)物納米層和軟性的有機(jī)物納米層天然復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高韌性的統(tǒng)一。啟發(fā)：人工設(shè)計(jì)SiC薄片與石墨薄層交替復(fù)合的層狀復(fù)合材料，其斷裂韌性達(dá)到了15MPa·m1/2，斷裂功高達(dá)4625J/m2，是常規(guī)SiC陶瓷的幾十倍。2-2維復(fù)合的兩相一般采用：強(qiáng)/韌、強(qiáng)/軟、bcc/fcc的兩相復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的統(tǒng)一。編輯ppt0-3維復(fù)合0-3維復(fù)合是將納米顆粒均勻分布到3維塊體材料中。如：Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Li合金、Cu-Cr、Cu-Zr合金。

通過(guò)淬火固溶處理，將合金元素固溶于Al、Cu等基體中，再通過(guò)時(shí)效處理，使固溶的合金元素脫溶析出，形成彌散分布的納米相，從而提高合金的強(qiáng)度。析出相越細(xì)，強(qiáng)化效果越高。這類(lèi)合金亦稱(chēng)原位自生的納米復(fù)合合金，編輯ppt0-3維復(fù)合如：將熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較高的陶瓷納米顆粒復(fù)合到金屬中以增加金屬材料的高溫強(qiáng)度。

ThO2分布在Ni及Ni基高溫合金中，使合金的使用溫度明顯升高。如：在Al2O3基體中加入5wt％的納米SiC增強(qiáng)顆粒，使Al2O3的強(qiáng)度從350MPa增加到1500MPa，斷裂韌性由3.5MPa·m1/2增加到4.8MPa·m1/2；編輯ppt0-3維復(fù)合如：將Al2O3納米顆粒加入到普通玻璃中，在不改變透光率的情況下可明顯改善玻璃的脆性；如：將納米Al2O3顆粒加入到橡膠中可顯著提高橡膠的耐磨性。編輯ppt決定0-3維納米復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性的主要因素有：納米顆粒的尺寸體積分?jǐn)?shù)納米顆粒本身的性能。編輯ppt納米SiC顆粒增強(qiáng)陶瓷的性能納米Al2O3顆粒增強(qiáng)金屬的性能增強(qiáng)相由微米級(jí)變?yōu)榧{米級(jí)后，Al2O3的強(qiáng)度大幅度提高。表中數(shù)據(jù)還表明，在納米級(jí)復(fù)合時(shí)，增強(qiáng)相的成分非常重要，如SiC的增強(qiáng)效果明顯高于Si3N4的強(qiáng)化效果。納米Al2O3顆粒與W、Mo、Ni、Ti復(fù)合后的強(qiáng)度與微米復(fù)合材料的比較。由表可以看出，納米復(fù)合后的強(qiáng)度是微米級(jí)復(fù)合強(qiáng)度的2～3倍。編輯ppt通過(guò)納米復(fù)合材料，可創(chuàng)造高強(qiáng)度、高韌性統(tǒng)一的新材料。突破現(xiàn)在工程材料的強(qiáng)度和韌性此消彼長(zhǎng)的矛盾!編輯ppt3.1.5 納米材料的蠕變與超塑性編輯ppt蠕變？材料的蠕變是指材料在高于一定的溫度（T>0.3Tm）下，即使受到小于屈服強(qiáng)度應(yīng)力的作用也會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過(guò)彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，即使受得力很小，也會(huì)發(fā)生永久性變形。編輯ppt蠕變過(guò)程可分為減速、恒速和加速三個(gè)階段、由于第一和第三階段較短，因此對(duì)蠕變的研究主要集中在恒速或穩(wěn)態(tài)蠕變的第二階段。編輯ppt超塑性是指材料在拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生頸縮或斷裂前的伸長(zhǎng)率至少大于100％。材料在壓應(yīng)力下產(chǎn)生的大變形稱(chēng)為超延展性。

超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長(zhǎng)10倍、20倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會(huì)斷裂。特別在航空航天上，面對(duì)極難變形的鈦合金和高溫合金，普通的鍛造和軋制等工藝很難成形，而利用超塑性加工卻獲得了成功，超塑加工具有很大的實(shí)用價(jià)值，只要很小的壓力就能獲得形狀非常復(fù)雜的制作。超塑性？編輯ppt頸縮頸縮在拉伸應(yīng)力下，材料可能發(fā)生的局部截面縮減的現(xiàn)象，頸縮和斷裂意味著材料失去力學(xué)效能。編輯ppt納米材料的蠕變和超塑性研究主要集中在以下兩點(diǎn)：微米晶材料在低應(yīng)力和適中溫度（0.4-0.6）Tm下產(chǎn)生晶界擴(kuò)散蠕變。由于納米材料具有相當(dāng)大的體積分?jǐn)?shù)的晶界和極高的晶界擴(kuò)散系數(shù)，因此納米材料能否在低應(yīng)力下和較低的溫度下（0.2-0.3）Tm產(chǎn)生晶界擴(kuò)散蠕變？微米晶材料通常在高溫下（T>0.5Tm）和適中的應(yīng)變速率下（10-5-10-2）/s才產(chǎn)生超塑性，那么，納米材料能否在較低的溫度和高的應(yīng)變速率下產(chǎn)生超塑性？編輯ppt在很低的應(yīng)力和細(xì)晶條件下，早期的理論認(rèn)為是空位而不是位錯(cuò)的擴(kuò)散引起蠕變。空位的擴(kuò)散有兩種機(jī)制，即通過(guò)晶格擴(kuò)散和沿晶界擴(kuò)散。編輯ppt描述空位通過(guò)晶格擴(kuò)散的模型為Nabarro-Herring方程，其蠕變速率：

式中，ANH為常數(shù)；D為晶格擴(kuò)散系數(shù)；Ω為原子體積；σ為拉伸應(yīng)力；K為波爾茲曼常數(shù)；d為晶粒尺寸。編輯ppt描述空位沿晶界擴(kuò)散的模型為Coble方程，其蠕變速率：

式中，Dgb為晶界擴(kuò)散系數(shù)；δ為晶界厚度；其余符號(hào)同Nabarro-Herring方程。編輯ppt由于Dgb高出D幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，當(dāng)晶粒由微米級(jí)降低為納米級(jí)時(shí)，應(yīng)高出至少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

（晶界擴(kuò)散系數(shù)高于晶格擴(kuò)散系數(shù)的原因：晶界上的原子排列規(guī)律差，能量較高，易于移動(dòng)，因此擴(kuò)散速率高于晶粒內(nèi)部，之前在界面效應(yīng)時(shí)講過(guò)）由此預(yù)測(cè)，在應(yīng)力相同的條件下，納米材料可在較低溫度下甚至在室溫產(chǎn)生晶界擴(kuò)散蠕變。編輯ppt在室溫下進(jìn)行的蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米Cu、Pd的蠕變擴(kuò)散速率并不明顯大于微米晶的蠕變速率，無(wú)論在低溫或中溫范圍內(nèi)晶界擴(kuò)散蠕變或Coble蠕變并不適用于Cu、Pd納米材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中溫區(qū)（0.33-0.48）Tm納米Cu的蠕變曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的蠕變速率比Coble模型計(jì)算值低幾個(gè)數(shù)量級(jí)編輯ppt納米金的蠕變實(shí)驗(yàn)室溫下全致密納米金試樣的蠕變實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)施加應(yīng)力超過(guò)某一臨界值時(shí)才產(chǎn)生蠕變。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段金試樣（36nm）的蠕變速率與施加應(yīng)力呈線性關(guān)系，表明蠕變?yōu)镃oble型蠕變。室溫下納米金的應(yīng)力和蠕變曲線應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)發(fā)生蠕變室溫下納米金在給定應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變區(qū)域在穩(wěn)態(tài)區(qū)域蠕變速率和應(yīng)力成線性關(guān)系編輯ppt利用電解沉積技術(shù)制備的致密的納米Ni（6～40nm）表現(xiàn)出明顯的室溫蠕變特性，且晶粒越細(xì)，蠕變速率越高。室溫下20nmNi試樣的蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系編輯ppt6nm、20nm、40nm晶粒的納米Ni的蠕變速率和應(yīng)力曲線可以看出：晶粒越小，同樣應(yīng)力下蠕變速率越快。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Coble晶界蠕變模型接近納米Ni的晶粒對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力關(guān)系的影響圖中虛線是Coble晶界蠕變模型模擬曲線然而，該實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的總?cè)渥兞啃∮?.01，遠(yuǎn)未達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變階段，此外，試驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)量蠕變激活能，因此20nm以下晶粒Ni在低應(yīng)力下的擴(kuò)散蠕變機(jī)制還不能成立。編輯ppt結(jié)論

盡管納米Cu、Au、Ni等材料在較低應(yīng)力和較低溫度下觀察到了晶界蠕變擴(kuò)散，并且有些材料的蠕變?cè)谝欢l件下也符合Coble擴(kuò)散蠕變模型，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏及實(shí)驗(yàn)條件的不確定，要確定關(guān)于納米材料的蠕變機(jī)制仍需做大量的深入研究。編輯ppt超塑性？塑性：材料尤其是金屬材料的重要屬性，指金屬在保持其力學(xué)性能的情況下，既具有永久變形能力又具有足夠強(qiáng)度的性能?！俺苄浴保鼋饘僖话恪八苄浴敝笜?biāo)的特性。做為衡量塑性?xún)?yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)延伸率σ，一般金屬不超過(guò)百分之幾十，如黑色金屬不大于40％，有色金屬不大于60％（如鋁約為50％左右，金銀不超過(guò)80％），即使在高溫下拉伸，也難以達(dá)到100％。從材料的提純、冶煉、鍛造和熱處理中設(shè)法改善金屬的塑性，都無(wú)法大幅度提高塑性指標(biāo)。編輯ppt在長(zhǎng)期以來(lái)金屬變形的研究中，有人發(fā)現(xiàn)某些金屬在一定條件下具有大大超過(guò)一般塑性的特異性能，這些具有超塑性的金屬其δ值可超過(guò)百分之百，有的甚至達(dá)到百分之二千也不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。隨著研究的深入，普遍認(rèn)為這種特殊的、巨大的延伸特性并不限于某幾種合金；對(duì)大多數(shù)金屬材料，包括鋼鐵等黑色金屬以及一般認(rèn)為難成形的鈦合金等，在特定條件下都可使δ值提高幾倍至幾十倍。比如Ti-6Al-4V板材，常溫下的δ值約10%，Ti-5Al-4V約14%，前者在加溫到760℃時(shí)，δ值約為65%，850℃時(shí)約90%，即使加溫到900℃也只達(dá)110%左右。然而處于超塑性條件下的Ti-6Al-4V，δ值可高達(dá)500%以上，甚至1000%以上。編輯ppt

1920年德國(guó)人羅森漢在研究鋅-鋁-銅合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，在250-270℃,0.39-1.37GPa時(shí)該合金具有超塑性。1982年英國(guó)物理學(xué)家森金斯給這種現(xiàn)象做如下定義：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速度10毫米/秒時(shí)產(chǎn)生本身長(zhǎng)度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。1945年蘇聯(lián)科學(xué)家包齊瓦爾提出“超塑性”這一術(shù)語(yǔ)。編輯ppt超塑性：是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)，如果材料的延伸率超過(guò)100％，就可稱(chēng)為超塑性。凡具有能超過(guò)100％延伸率的材料，則稱(chēng)之為超塑性材料?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過(guò)1000％，有的甚至可達(dá)2000％納米材料的超塑性編輯ppt產(chǎn)生超塑性的條件

通常是溫度大于0.5

Tm。從本質(zhì)上講，超塑性是高溫蠕變的一種，因而發(fā)生超塑性需要一定的溫度條件，稱(chēng)為超塑性溫度Ts，Ts>0.5Tm。具有穩(wěn)定的等軸細(xì)晶組織（<10m），并在變形過(guò)程中晶粒不顯著長(zhǎng)大。微米晶材料產(chǎn)生超塑性的應(yīng)變速率為10－5～10－2s－1。編輯ppt超塑性成形的基本特點(diǎn)：

大變形

：超塑性材料在單向拉伸時(shí)伸長(zhǎng)率極高，目前已有高達(dá)8000％以上的報(bào)道。超塑性材料塑性變形的穩(wěn)定性、均勻性要比普通材料好得多，這就使材料成形性能大為改善，可以使許多形狀復(fù)雜，難以成形構(gòu)件的一次成形變?yōu)榭赡堋?/p>

小應(yīng)力：材料在超塑性變形過(guò)程中的變形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流動(dòng)的特點(diǎn)，在最佳超塑變形條件下，超塑流