納米材料的力學(xué)性能

材料力學(xué)性能

材料與機(jī)電學(xué)院艾建平E-mail:ai861027@163.com第9章納米材料的力學(xué)性能內(nèi)容提綱9.1納米材料的晶界與缺陷9.2納米材料的力學(xué)性能概述

霍爾-配奇關(guān)系

彈性模量

強(qiáng)度與韌性

超塑性19.1納米材料的晶界與缺陷2

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。圖1

納米材料晶界圖2石榴果內(nèi)部形貌照片9.1納米材料的晶界與缺陷3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9.1納米材料的晶界與缺陷4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％。9.1納米材料的晶界與缺陷5晶粒/nm晶界厚度/nm晶粒個(gè)數(shù)/2×2×2

m3晶界體積分?jǐn)?shù)/％

20000.610.09200.61069.0100.60.8×10718.040.61.3×10842.620.610980.5晶界在常規(guī)粗晶材料中僅僅是一種面缺陷；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！晶粒直徑與晶界體積分?jǐn)?shù)關(guān)系9.1納米材料的晶界與缺陷6圖3納米Pd薄膜的高分辨透射電鏡照片界面可變結(jié)構(gòu)模型界面缺陷態(tài)模型

其中心思想是界面包含大量缺陷，其中三叉晶界對界面性質(zhì)的影響起關(guān)鍵作用。圖4納米材料晶界平面示意圖9.1納米材料的晶界與缺陷7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，也稱旋錯(cuò)。圖5

三叉晶界示意圖計(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，而晶界體積分?jǐn)?shù)僅增加1個(gè)數(shù)量級。三叉晶界體積分?jǐn)?shù)對晶粒尺寸的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶界體積分?jǐn)?shù)。這就意味著三叉晶界對納米晶體材料的性能影響是非常大的三叉晶界處的原子擴(kuò)散更快，運(yùn)動性更好9.1納米材料的晶界與缺陷8納米材料的缺陷

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）；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程中，晶格常數(shù)發(fā)生變化。9

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程中形成的。空位團(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。9.1納米材料的晶界與缺陷點(diǎn)缺陷10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)無法消除硬團(tuán)聚體，因此，孔洞就會被保留下來；納米微粒表面易吸附氣體，壓制過程中形成氣孔，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，會收縮，甚至?xí)耆В蛇_(dá)到納米材料的致密化。9.1納米材料的晶界與缺陷孔洞位錯(cuò)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)附近的原子面會發(fā)生朝位錯(cuò)線方向的扭曲。位錯(cuò)9.1納米材料的晶界與缺陷11不同金屬納米晶粒位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長度不同，如Cu\Al\Ni等當(dāng)金屬晶粒的形態(tài)不同時(shí)，

特征長度也有所不同9.1納米材料的晶界與缺陷位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長度12納米材料中位錯(cuò)與晶粒大小之間的關(guān)系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)的作用開始減小。當(dāng)晶粒尺寸小于50nm時(shí)可認(rèn)為基本上沒有位錯(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)，開動位錯(cuò)源的應(yīng)力達(dá)到無位錯(cuò)晶粒的理論切應(yīng)力。

對于位錯(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。9.1納米材料的晶界與缺陷139.2納米材料的力學(xué)性能概述141996-1998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?；魻?配奇關(guān)系9.2納米材料的力學(xué)性能概述硬度表示，即為H=H0+kd-1/2

對各種粗晶材料都是適用的。多數(shù)測量表明，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。159.2納米材料的力學(xué)性能概述彈性模量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169.2納米材料的力學(xué)性能概述彈性模量納米晶粒尺寸和彈性模量的關(guān)系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。179.2納米材料的力學(xué)性能概述

強(qiáng)度和韌性雜質(zhì)對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、無污染的納米Cu拉伸率可達(dá)30%以上。18

強(qiáng)度和韌性9.2納米材料的力學(xué)性能概述突破現(xiàn)在工程材料的強(qiáng)度和韌性此消彼長的矛盾!199.2納米材料的力學(xué)性能概述

超塑性

頸縮在拉伸應(yīng)力作用下，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。一般說來，如果材料的延伸率超過100％，就可稱為超塑性。凡具有能超過100％延伸率的材料，則稱之為超塑性材料。209.2納米材料的力學(xué)性能概述

超塑性ZnAl22的拉伸變形（

250℃時(shí)延伸率）高溫合金INCONEL718的超塑性成形航天器件21