金属纳米材料塑性变形机制张永钦

1、纳米材料塑性变形机制 张永钦 15120982 1.1 纳米材料物理特性 纳米粒子特性：纳米材料由纳米粒子组成，纳米粒子一般指尺寸在1-100nm间的粒子，它具有以下四方面特性，从而派生出传统固体不具有的特殊性质： 表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应1.2 纳米结构塑性变形机制v滑移v孪晶 晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化 铜单晶在4.2k的拉伸曲线1.3 材料中位错起源与增殖机制人们发现材料中存在以下三种位错起源机制： 均匀成核 晶界成核 界面成核位错的增殖机制： 弗兰克-里德位错源 双交滑移增殖机制 攀移增殖机制1.3 纳米结构金属位错1.3.1 基本特征 晶界发射位

2、错 分子动力学模拟和大量的实验观察表明，纳米结构金属中有位错。与粗晶金属截然不同的是，纳米结构金属中的晶界可以作为延伸到整个晶粒的位错发射源和接受器：不全位错从一个晶界发射，穿过整个晶粒后，最终被邻近或相对的晶界吸收。理论分析认为，当晶粒尺寸小于某一临界值时，全位错形核比不全位错形核所需的应力大。另外，根据位错理论，由于晶粒尺寸的减小，全位错的形成和运动变得困难甚至不可能，晶界处将由发射全位错变为发射不全位错，因而纳米结构金属更容易生成不全位错1.3 纳米结构金属位错1.3.2 位错的形核与增殖 研究表明，晶粒尺寸达到一个临界尺寸时，位错才能被激活，晶界才开始发射位错。Yamakov等把已有全

3、位错的滑移距离作为判定临界晶粒尺寸的关键参数，当晶粒小于一定尺寸时，仅有不全位错能在晶界形核Swygenhoven等对纳米铝中晶界发射位错的形核与增殖进行了深入分析，并提出了几个重要的新观点： 领先与后续不全位错分别从同一晶界的不同区域、甚至不同的晶界发射。 位错的形核和增殖是两个独立的过程，位错形核后并不一定增殖 晶界台阶在某种程度上可以阻止位错增殖，这取决于台阶的几何条件和柏氏矢量。位错可以钉扎在这些晶界台阶，从而导致位错扭折的堆积 位错经过一个钉扎点后会产生新的应力集中 位错的脱钉与温度紧密相关，在钉扎区，位错增殖相对容易，对温度不太敏感。1.3 纳米结构金属位错1.3.3 位错在塑性变

4、形过程中的作用分子动力学模拟表明，位错是导致纳米晶粒塑性变形的主要原因 。但在这些模拟的模型中，位错往往是在高应力应变下得以激活，这远高于实际实验手段所能得到的。因此位错是否是导致塑性变形的原因还未定论。wu等利用高分辨TEM 研究了晶粒尺寸为2030nm的纳米镍经过单轴拉伸或轧制变形(塑性应变相对很小)后的位错行为，在一些晶粒中发现了全位错。Carlton等从理论上分析了纳米晶粒产生塑性应变所需的位错数目要远小于粗晶金属所需位错数。由此可推断，即使纳米晶粒中仅有少量位错，仍然可能导致发生塑性变形。1.3 纳米结构金属位错Zheng等研究了位错在塑性变形中不同阶段的作用由于晶界滑移与位错之间的

5、相互作用，变形过程可分为明显的三个阶段： 弹性阶段，位错不会产生； 塑性变形早期，晶界滑移导致晶粒转动，位错开始形成和运动； 塑性变形后期，位错相互作用形位错锁或孪晶等。尽管 纳米结构金属中的位错和晶界之间的关系相当复杂，但是多数研究者均认同位错和晶界滑移的相互作用导致了纳米结构金属的塑性变形1.4 孪生在晶体变形过程中，当滑移由于某种原因难以进行时，晶体会采用孪生变形方式进行形变。研究表明，孪生总是萌发于局部应力高度集中的地方，其所需的临界切应力远大于滑移变形所需临界分切应力。1.4.1 纳米孪晶金属塑性变形v位错与孪晶的相互作用位错塞积并穿过孪晶界机制不全位错平行孪晶界滑移机制贯穿位错受限滑移机制1.4.1 纳米孪晶金属塑性变形v孪晶界密度对纳米孪晶材料强度的影响1.4.1 纳米孪晶金属塑性变形当纳米孪晶界的间距大于某一临界尺寸时, 材料强度随孪晶界间距较小而逐渐增大, 遵循HallPetch 关系. 当纳米孪晶界的间距小于临界尺寸时, 高密度的孪晶界会诱导位错沿孪晶界萌生和运动, 从而引起材料的软化效应.1.5 展望由于在纳米结构不全位错所占比例越来越大，且晶界位错组态与常规不同，位错计算公式是否适用有待于进一步探讨。其中