微米金屬單晶的變形行為及其晶體學與尺度效應

《微米金屬單晶的變形行為及其晶體學與尺度效應》是依託西安交通大學，由肖林擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：微米金屬單晶的變形行為及其晶體學與尺度效應
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：肖林
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

針對材料力學性能表征理論的不足，以面心立方、體心立方及密排六方與形狀記憶合金金屬單晶為模型材料，採用三個截面面指數已知的立方形微米尺度試樣代替通常的圓柱試樣，藉助跡線法準確判斷材符局微料的滑移、孿生或馬氏體相變慣習面指數。通過改變試樣尺寸與長寬高的比值，獲得激活位錯滑移、孿生和變形誘發相變的臨界應力和抑制上述行為的晶體臨界尺度及其對試樣幾何形狀的依賴性。同時關注隨晶體結構、晶體取向及試樣尺度改變引起的變形方式轉換及其相互協同規律。進而利用透射電鏡納米壓入和原位觀察耦合新技術，並結合分子動力學模擬結果，闡明材料晶格位錯滑移、孿生及應力誘發相變的試樣表面約束效應及其在塑性變形過程中的本徵行為。為理解微米金屬單晶的變形行為及其晶體學與尺度效應提供直接的實禁格驗依據，並據此發展微尺度約束下材料塑性變形微觀機制的晶體學基礎，建立相關的物理力學模型，為低維材料力學性能表征與可靠性評估提供明確的物理依據。

結題摘要

研究了微密尺度下密排六方（HCP）、面心立方（FCC）和體心立方（BCC）金屬單晶塑性變形過程中位錯和孿晶萌生、運動及拘格設捆它們相互之間作用的規律。分析了不同微觀尺度金屬晶體變形機理及其存在的臨界尺度範圍。選取Ti-5%Al密排六方單晶中以孿晶變形為主的[0001]位向，利用納米壓入儀對微柱體壓縮與相應的透射電鏡原位壓縮的定量變形表征技術，研究了孿晶變形在微小尺度材料中的行為規律和機理。發現孿晶變形表現出更強的尺度依賴性。測定的“Hall-Petch”關係指數接近1，遠高於大塊結構材料晶粒尺寸與強度關係式中的0.5指數。同時發現材料的塑性變形方式發生了根本性的轉變。孿晶變形最終受到晶體外觀幾何尺寸的約束而被抑制，由位錯滑移替代。材料所能承受的最大流變應力亦呈現出一種“強度飽和”的奇異現象。藉助於原位高分辨透射電鏡，對理想組織狀態的危肯少FCC金顆粒和鋁單晶原位壓縮研究發現：只有當晶體的體積大於臨界尺寸鞏己晚仔時，位錯才可能發生纏結，並存儲於晶體中。這時晶體才會表現出傳統的塑性變形機制及特性。面心立方金屬的應變突發機制依賴於試樣尺寸背汽企。小尺度試樣，位錯呈現爆發式、相互關聯式的萌生和運動特徵，試樣塌陷後內部沒有位錯殘留。而大尺寸試樣中原始位錯通過自組織形成膠著組態。發現“機械退火”現象在BCC鉬中同樣存在。澄清了此前研究中關於體心立方金屬材料中不會發抹愉束生“機械退火”的說法。同時發現了伴隨“機械退火”現象，尺寸效應本身也具有尺寸效應，即直徑在70—200nm範圍內的小圓柱狀材料強度尺寸效應三倍於200nm以上柱體。基於實驗結果所提出的理論模型不僅解釋了BCC和FCC金屬材料強度尺寸效應的不同，而且解釋了Mo晶體的尺寸效應本身表現的尺寸依賴性。分子動力學模擬結果發現BCC鎢金屬納米線在拉伸時會發生大範圍的類似馬氏體相變的等應力孿晶變形，並表現出與已知FCC金屬（如銅, 鎳）納米線相似的超彈性行為。但是令人驚奇的是，鎢金屬納米線在載入和卸載循環過程中幾乎沒有損耗。並發現這種低損耗來源於鎢金屬孿晶界的本徵移動能力——鎢金屬孿晶界具有非常低的移動阻力。基於此，作者設計出了以表面能為媒介、高效存儲和釋放機械能的新裝置—“納米彈簧”（具有預設孿晶界的納米線）。指出超彈性行為在立方金屬的納米線中是一個普遍的現象，內在機制均來源於表面能驅動的可逆孿晶。