| 《自然》：孫軍等發現金屬孿晶變形的強烈晶體尺寸效應 |
近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室微納尺度材料行為研究中心研究生餘倩，在導師孫軍教授、肖林教授和馬恩教授、單智偉教授的悉心指導下，與美國賓夕法尼亞大學李巨教授、丹麥瑞瑟國家實驗室黃曉旭博士合作，對微小尺度金屬單晶材料中的孿晶變形行為及其對材料力學性能的影響進行了深入的研究，發現了單晶體外觀尺寸對其孿晶變形行為的強烈影響，以及相應材料力學性能的顯著變化。此項結果已發表在1月21日出版的《自然》雜誌上。評審人對此項研究中所完成的大量首創性的工作印像非常深刻，認為作者們在材料力學尺度效應的研究方面取得了重大進展。
伴隨著微電子元器件與微機電系統(MEMS)等技術的進步，所用材料外形特徵尺寸的下限也逐漸減小至亞微米甚至納米量級，而該尺度正是材料塑性變形基本物理機製作用的空間範疇。也就是說，微納尺度材料中，材料變形載體的特徵尺度，如位錯線與孿晶缺陷的特徵尺度與作用空間，開始和材料的外部幾何尺寸處於相似量級。比如塊體鈦合金中變形孿晶的尺度一般在0.1~10微米之間。當具有不同尺寸的微元器件中零部件所用材料外形幾何尺寸與其相近時，孿晶是否仍然會發生？其臨界條件和性能是否會隨尺寸而改變？等等，這些都是當前材料科學領域中的前沿性課題和令設計工程師們異常感興趣的問題。
因此，作為材料開發和應用的重要步驟，如何準確地測量和表徵這些微小器件在製備和服役過程中的力學性能成為事關其高性能設計製備與安全使用中關鍵性的課題，也是材料科學發展所必須面對的挑戰。以前對這一方向的研究主要集中在位錯的滑移行為，而對於材料的另一種重要塑性變形方式—孿晶在微小尺度材料中的成核與演化過程，卻鮮有報導。此外以位錯變形為主導的多晶金屬材料存在一定的臨界尺度。當材料的晶粒尺寸小於該特徵尺度時，描述材料力學行為的經典 「Hall-Petch」 冪律關係，即「尺寸愈小、強度愈高」，亦將不再適用。描述孿晶變形的Hall-Petch冪律關係的斜率通常要要比位錯滑移變形的大很多，也就是說，孿晶變形應表現出更強的尺度依賴性。
文章的作者們通過巧妙的實驗設計，基於六方晶體結構金屬孿晶、位錯滑移變形的特異性，選取鈦-5%鋁合金單晶中以孿晶變形為主導塑性變形方式的晶體取向，利用納米壓入儀下微柱體壓縮與相應的透射電鏡原位定量變形表徵技術，有針對性地研究了孿晶變形在微小尺度材料中的行為規律和機理。結果發現，當外觀幾何尺度減小到微米量級時，與相應宏觀塊體材料相同，材料的塑性變形仍以孿晶切變為主，但材料的屈服強度及其塑性變形中能夠承受的最大流變應力均有顯著的提高，分別達到其宏觀值的近5倍和近8倍，表現出很強的尺度依賴性。其實驗測定的Hall-Petch 冪律關係指數接近於1 (遠高於多晶的0.5)。
令人驚奇的是，當晶體的外部幾何尺度進一步減小到亞微米量級時，材料的塑性變形方式發生了根本性的轉變。由於材料尺寸的限制孿晶變形被完全抑制，並由位錯滑移變形取而代之。而發生這一轉變的臨界特徵晶體尺寸為一微米左右(遠大於多晶納米材料強度極值對應的20納米)。小於該臨界尺寸後Hall-Petch冪律關係將不再適用，而材料所能承受的最大流變應力亦呈現出一種接近於所用材料理想強度水平的「應力飽和」平臺現象。這就意味著，原本塊體材料由於存在晶體缺陷而無法達到的強度「天花板」—理想強度已經被觸及。更為重要的是，這種轉變的特徵尺度是在微米向亞微米過渡的範圍，即小尺度材料在微器件和微機電系統等實際應用中所用材料的的重要尺度範圍。由此，文中提出了與光學物理「受激輻射」效應類似的，以螺位錯為媒介的孿晶變形「受激滑移」模型，得到Hall-Petch冪律指數的理論值為1，與實驗值吻合良好。並且由於僅有1%左右的位錯可以作為極軸，而晶體尺寸愈小，就愈難於利用螺型位錯的極軸作用將兩個相鄰的滑移面有效地耦合在一起而形成孿晶，完美地解釋了孿晶變形具有強烈的晶體尺寸效應和「尺寸愈小、強度愈高」的內在原因。
此項研究結果對於系統認識微小尺度材料的力學行為有著十分重要的作用。對於微電子元器件與微機電系統(MEMS)所用材料的性能表徵評價與設計、特別是利用其強度的強烈晶體尺度效應進行微納加工等具有重要的指導意義。
該項研究得到了國家自然科學基金與973計劃項目以及國家外專局/教育部首批學科創新引智（111）計劃項目的共同資助。
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