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西安交通大学的《nature》

  西安交通大学的“自然”

  钧军教授等在“自然”杂志上发表的论文发表于2010年6月13日星期日下午06时01分00秒CEST 。研究人员发现强烈烈度的晶体尺寸>金属变形双胞胎 - 孙军教授完成论文发表
最近在“自然”期间,金属材料国家重点实验室纳米尺度材料行为研究中心研究生余谦在指导下孙军教授,小林教授,马仁中心教授,魏志伟教授的指导下,与丹麦里斯国家实验室的李巨教授和黄晓旭博士合作深入研究了双变形行为及其效应对微米级单晶金属材料的力学性能进行了研究,发现孪晶变形行为的强烈影响,以及相应的材料力学性能的显着变化。他的成果已经发表在2010年1月21日的“自然”杂志上。评论员对本研究中大量的开创性工作印象深刻,认为作者在材料力学对尺度效应研究方面取得了重大进展。随着微电子元件和微机电系统(MEMS)等技术的发展,用于形成特征的材料尺寸的下限也逐渐减小到亚微米甚至纳米级,这是材料可塑性的空间范畴基本的变形戏剧的物理机制。也就是说,在微尺度材料中,材料变形载体的特征尺度,如位错线和孪晶缺陷的特征尺度和工作空间,从材料的外部几何尺寸开始类似数量级。如体积钛变形的孪生尺寸一般在0.1至10微米之间。当不同尺寸的零件使用的零件的几何形状相似时,双胞胎仍会出现吗?其关键性和性能会随着规模而改变吗?等等。这些是材料科学领域当前的尖端话题,也是设计工程师不寻常的兴趣。因此,作为材料开发和应用的重要一步,如何准确测量和表征这些微小器件在制备和使用过程中的力学性能,成为其高性能设计准备和安全使用任务的关键,也是挑战面临材料科学的发展。此前的研究主要集中在位错的滑移行为。然而,关于微观材料中孪晶形核和演化的报道很少,这是材料另一个重要的塑性变形模式。另外,位错占主导地位的多晶金属材料有一定的关键尺寸。当材料的晶粒尺寸小于特征尺寸时,描述材料力学行为的经典“Hall-Petch”幂律关系即“尺寸越小,强度越高”不再适用。描述双相变形的Hall-Petch幂律的斜率通常比位错滑移变形大得多,即双变形应该表现出更强的尺度依赖性。通过巧妙的实验设计,文章的作者根据六方晶体结构金属孪晶的特异性和位错滑移变形选择了双晶变形作为主要的可塑性,晶体取向的变形,微纳米压痕仪的使用-cylinder压缩和相应的透射电子显微镜原位定量变形表征技术,有针对性的研究双晶体在微尺度下的变形行为及材料机理。结果表明,当几何尺寸减小到微米级时,材料的塑性变形仍然以孪晶为主,与宏观体材料相同。但是,材料的屈服强度及其最大塑性变形流动应力分别显着提高,达到其近5倍和近8倍的宏观值,呈现出较强的尺度依赖性。实验确定的Hall-Petch幂律指数接近1(远高于0.5多晶)。令人惊讶的是,当晶体的外部几何尺寸进一步减小到亚微米尺度时,材料的塑性变形已经发生了根本性的变化。孪生变形由于材料尺寸限制而被完全抑制,并且由位错滑移变形取代。这一过渡的关键特征是晶体尺寸约为1微米(远大于20纳米,相当于多晶纳米材料强度的极限)。低于这个临界尺寸,Hall-Petch幂律将不再适用,材料可承受的最大流动应力也呈现出“应力饱和”平台,接近所用材料的理想强度。这意味着由于存在晶体缺陷而无法实现的原始大块材料的“天花板”强度已达到理想的强度。更重要的是,这种转变的特征尺度在微米到亚微米范围内,这是在微器件和微机电系统等实际应用中使用的小尺寸材料的重要尺度。在本文中,我们提出了一个类似于光“受激发射”效应的“双滑移”模型,得到了Hall-Petch幂指数为1的理论值,实验值吻合得很好,由于只有约1%的位错可以作为极轴,而晶体尺寸越小,螺旋位错的极轴就越难将两个相邻的滑移面有效地耦合在一起形成双晶体,这就很好地解释了孪晶变形具有较强的晶体尺寸效应和“尺寸较小,强度较高”的根本原因。本研究结果对于小尺度材料力学行为的认识系统具有非常重要的作用,对微电子器件和微机电系统(MEMS)材料性能表征的评估和设计,尤其是微纳米级的微纳处理纳米晶尺度效应,具有重要的指导意义。本研究由国家自然科学基金,973项目和国家外国专家局/教育部首批学科创新(111)项目共同资助。
 

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