金屬所納米孿晶金屬形變機制的定量電子顯微學研究獲進展

　　納米孿晶金屬以其優異的力學性能和良好的導電性受到廣泛關注，該材料的變形行為是材料學家長期關注的問題之一。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該越高。然而，實驗發現，當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軟化現象。研究者利用分子動力學計算發現，這種軟化現象是由於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特性與微觀變形機制之間的關係。

　　最近，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家(聯合)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變分析，發現孿晶片層厚度對不同類型位錯形核處的局部應力集中有明顯影響，因此位錯的主導形核機制在某一臨界片層厚度(18 nm)會發生轉變。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性能之間的直接聯繫。

　　研究結果表明，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並在傾斜於孿晶界的滑移面上滑移；III型 (Soft mode)位錯在孿晶界/晶界交界處形核並在孿晶界上滑移。當孿晶片層厚度下降到12-37 nm時，主導位錯機制從I型位錯的形核和滑移為主轉變為以III型位錯的形核和滑移為主。由於位錯形核和局部應力集中有關，所以納米孿晶銅變形的主導位錯形核機制主要取決於孿晶界臺階處和孿晶界/晶界交界處的局部應力集中程度。而局部應力集中受孿晶片層厚度的影響，在孿晶界臺階處的局部應力集中隨著孿晶片層厚度的減小而緩慢減小，而孿晶界/晶界交界處的應力集中隨著片層厚度的減小而顯著增加。兩者應力集中程度相等時對應的臨界孿晶片層厚度為18nm。這一原子尺度定量應變分析的結果與宏觀力學性能測試得到的臨界孿晶片層厚度(15nm) 相符，這為預測進而優化具有納米片層結構的金屬材料的力學性能提供了一條新途徑。

　　該研究得到了國家自然科學基金、科技部「973」計劃項目的資助。

　　相關論文已於7月16日在線發表於《自然·通訊》上(Nature Communications 6:7648 (2015), DOI: 10.1038/ncomms8648)。

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　　圖1 (a-d) I型位錯在孿晶界上形核並滑移穿越孿晶界的動態過程。(e-h) III型位錯在孿晶界/晶界交界處形核並且在孿晶界上滑移的原位動態過程和相應的示意圖。 

　　

圖2 具有不同孿晶片層厚度l的納米孿晶銅在原位形變過程中的兩類位錯的比例。 

 

　　圖3 (a) 孿晶界發射I型位錯的動態過程。(b) I型位錯發射前的剪切應變分布。(c) 圖(b)中黑框區域內的定量分析。(d) 孿晶界/晶界交界處發射III型位錯的動態過程。(e) III型位錯發射前的剪切應變分布。(f) 圖(e)中黑框區域內的定量分析。

 

圖4 納米孿晶銅中對應於不同孿晶片層厚度l的孿晶界上臺階處和孿晶界/晶界交界處的應力集中因子K。