（化工过程机械专业论文）基于变形机制的纳晶材料应变梯度塑性理论研究.pdf

硕士学位论文 摘要 为了系统地分析晶粒尺寸对其变形机理和力学性能的影响，本文建立了包含 晶内和晶界影响区两相复合几何模型，提出了基于应变梯度塑性理论的纳晶单相 金属材料整体本构模型。通过对不同晶粒尺寸纳晶单相铜与镍的实验拉伸数据的 数值模拟结果表明，本理论本构模型能够很好的预测纳晶材料的应力应变关系。 其次，为了定量分析应变梯度对纳米材料尺寸效应的影响以及塑性硬化机理，本 文还提出了基于统计储存位错和几何必需位错理论的纳米单相晶体材料应变硬 化律，给出与材料应变硬化相关的特征参量，对其硬化的内部机理进行了深入研 究和讨论。最后，讨论了同纳晶单相金属材料具有极为相似微结构与变形机理的 纳米孪晶材料力学性能，充分考虑孪晶内位错变形机制，建立了包含孪晶界与孪 晶内部片层的两相复合几何模型，并结合应变梯度理论将其影响进行量化，提出 基于应变梯度的纳米孪晶本构模型。 所做具体工作如下： ( 1 ) 考虑纳晶单相金属独特的微结构及其内部变形机理，建立了晶内与晶 界影响区的两相复合几何模型。由于两相不同的物理结构与力学性质，假设其内 部分别存在不同的位错变形机制，并考虑在两相交界面处变形不协调因素，引入 了应变梯度量。 ( 2 ) 确定晶内相与晶粒尺寸相关的统计储存位错计算，并获得基于此的非 线性本构方程。 ( 3 ) 深入研究晶界影响区内与应变梯度相关的几何必需位错变形机理，并 获得基于此的非线性本构方程。 ( 4 ) 结合t a y l o r 位错理论，首次提出了基于应变梯度塑性理论的纳晶单相 金属材料整体本构模型。 ( 5 ) 引入与塑性工作硬化相关的微结构特征参数及应变梯度，提出纳晶单 相金属材料的应变硬化律。 ( 6 ) 根据纳米孪晶的独特微结构，提出了包含孪晶界与孪晶内部片层的两 相复合几何模型，并基于孪晶内位错变形机制，建立一套适合纳米孪晶的本构模 型及应变硬化律。另外，结合其内部结构分析高延展性原因。 a b s t r a c t 通过以上研究，得出如下结论： ( 1 ) 根据建立的纳晶单相金属材料的应变梯度理论本构模型，与实验结果 进行比较，结果表明数值模拟结果能够很好的预测纳晶单相材料应力应变关系， 说明本文建立的包含晶内和晶界影响区的两相复合几何模型是符合纳晶单相金 属材料的实际变形情况的。 ( 2 ) 应变硬化律结果表明，单相纳晶金属材料的强化由材料微结构特征几 何参数和基体应变梯度联合控制，颗粒尺寸越小，应变梯度影响越大，强化效果 越好。 ( 3 ) 晶界影响区是纳晶单相金属材料内部不可忽略的部分，减小晶粒度可 以提高晶界密度，增大晶界影响区面积，对材料的力学性能有很大影响。在单相 纳晶金属材料塑性变形过程中，随着位错的堆积，晶界影响区逐渐演化成工作硬 化层，从而可以提高金属的强度和韧性。 ( 4 ) 通过纳米单晶材料应变硬化律的数值模拟可以看出，1 5n m 左右为纳 晶单相金属材料的临界晶粒尺寸。当晶粒尺寸小于1 5n m 时，晶界滑移成为主要 变形机制，这是小尺寸纳米晶体软化的主要原因。 ( 5 ) 孪晶界具有普通晶界相似的强化作用，随着孪晶晶界间距和厚度的减 小，纳米孪晶材料整体表现出堪比纳晶单相金属材料的优异力学性能。 关键词：纳晶单相金属应变梯度位错纳米孪晶塑性变形应变硬化 硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ep u r p o s eo fs y s t e m a t i c a l l ye v a l u a t i n gt h ee f f e c t so fg r a i ns i z eo nt h e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，an e w c o m p o s i t eg e o m e t r i cm o d e lc o m p r i s e do fg r a i ni n t e r i o rp h a s ea n dg r a i nb o u n d a r y a f f e c t e dz o n eh a sb e e nd e v e l o p e di n t h i st h e s i s b a s e do nt h i sc o m p o s i t em o d e la n d c o n v e n t i o n a ls t r a i ng r a d i e n tp l a s t i ct h e o r y , a no v e r a l lm e c h a n i c a lc o n s t i t u t em o d e l w a sa l s ob u i l tt op r e d i c tt h es t r e s s - - s t r a i nr e l a t i o n s h i po fs i n g l e p h a s en a n o c r y s t a l l i n e m e t a l s t h e n ，t h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p f o r n a n o c r y s t a l l i n e c ua n dn iw i t h d i f f e r e n tg r a i ns i z eu n d e ru n i a x i a lt e n s i l el o a d i n gw e r ep r e d i c t e db yo u rd e v e l o p e d m e c h a n i c a lc o n s t i t u t em o d e l ，w h i c hs h o w st h a tt h ec a l c u l a t e dd a t ak e e pq u i t eg o o d a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s e c o n d l y , i no r d e rt od e s c r i b et h ee f f e c t so f s t r a i n g r a d i e n t o ns i z ee f f e c ta n dp l a s t i cw o r kh a r d e n i n go fs i n g l e 。p h a s e n a n o c r y s t a l l i n e m e t a l sq u a n t i t a t i v e l y , as t r a i n h a r d e n e dl a wb a s e do ns t a t i s t i c a l l y s t o r e dd i s l o c a t i o n sa n dg e o m e t r i c a l l yn e c e s s a r yd i s l o c a t i o n sw a si n t r o d u c e di nd e t a i l ， w h i c hw a sd e t e r m i n e df r o mb o t hs t r a i ng r a d i e n tp a r a m e t e ra n dan a n o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i cl e n g t hp a r a m e t e r f i n a l l y , d u et ot h es i m i l a ri n t e r i o rm i c r o s t r u c t u r ea n d d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mw i t hs i n g l e p h a s en a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，t h em e c h a n i c a l d e f o r m a t i o nb e h a v i o r o fn a n o t w i n n e dm a t e r i a l sr e g a r d e da s ac o m p o s i t em o d e l i n c l u d i n gt w i nb o u n d a r ya f f e c t e dz o n ea n d m a t r i xl a m e l l a rs t r u c t u r ew a sa l s os t u d i e d t h es p e c i f i cw o r ki sl i s t e da sf o l l o w s ( 1 ) b a s e do nt h eu n i q u en a n o s t r u c t u r ea n dd i f f e r e n td e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ， s i n g l e p h a s en a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sw e r et r e a t e d a sam i x t u r eo fg r a i ni n t e r i o r p h a s ea n dg r a i nb o u n d a r ya f f e c t e d z o n e d u et ot h e i rd i s s i m i l a rp r o p e r t i e sa n d m i s m a t c hb e t w e e nt h et w op h a s e s ，d i f f e r e n td i s l o c a t i o n - c o n t r o l l i n gm e c h a n i s m r e s p e c t i v e l ya n d s t r a i ng r a d i e n tp a r a m e t e rw e r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h es t a t i s t i c a l l ys t o r e d d i s l o c a t i o n sf o rt h eg r a i n i n t e r i o rp h a s ed e p e n d e n t g r a i ns i z ew e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn o n 。l i n e a rc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n s w e r ee s t a b l i s h e d ( 3 ) t h eg e o m e t r i c a l l yn e c e s s a r yd i s l o c a t i o n s w i t hr e s p e c tt os t r a i ng r a d i e n t i i i a b s t r a c t w i t h i n g r a i nb o u n d a r y a f f e c t e dz o n ew e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n g n o n - l i n e a rc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sw e r ea l s oe s t a b l i s h e d ( 4 ) t h ec o n t r i b u t i o no fb o t ht h ed i s l o c a t i o n sw i t h i nt w op h a s e sw a sd e s c r i b e d t h r o u g ht a y l o r st h e o r yo f t h ef l o ws t r e s s ，a n da no v e r a l lm e c h a n i c a lc o n s t i t u t em o d e l i n c l u d i n gs t r a i ng r a d i e n tp l a s t i ct h e o r yw a sf i r s t l yb u i l tt op r e d i c tt h es t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i po fs i n g l e p h a s en a n o c r y s t a l l i n em e t a l s ( 5 ) as t r a i n - h a r d e n e dl a wd e t e r m i n e df r o mb o t hs t r a i ng r a d i e n tp a r a m e t e ra n da n a n o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i cl e n g t hp a r a m e t e rw a si n t r o d u c e di nd e t a i l ，w h i c hw a s u s e dt ot od e s c r i b et h ee f f e c t so fs t r a i ng r a d i e n to ns i z ee f f e c ta n dp l a s t i cw o r k h a r d e n i n go fs i n g l e p h a s en a n o c r y s t a l l i n em e t a l s ( 6 ) t h em e c h a n i c a ld e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fn a n o t w i n n e dm a t e r i a l sr e g a r d e da s t w oc o m p o s i t em o d e li n c l u d i n gt w i nb o u n d a r ya f f e c t e dz o n ea n dm a t r i xl a m e l l a r s t r u c t u r ew a sa l s od e v e l o p e d ，a n dan e wm e c h a n i c a lc o n s t i t u t em o d e lo fn a n o t w i n n e d m e t a l sw a sa l s ob u i l tt op r e d i c tt h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p c o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) a c c o r d i n g t oo u r d e v e l o p e d s t r a i n g r a d i e n t c o n s t i t u t em o d e lo f n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，w ec a nf i n dt h ec o m p a r i s o no fs t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nc a l c u l a t e dd a t aa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a to u rc o m p o s i t eg e o m e t r i c m o d e lk e e p sq u i t eg o o da g r e e m e n tw i t ht h er e a ld e f o r m a t i o nn a n o s t r u c t u r eo f s i n g l e - p h a s en a n o c r y s t a l l i n em e t a l s ( 2 ) t h es t r a i n - h a r d e n e dl a ws h o w st h a tt h ew o r kh a r d e n i n go fs i n g l e 。p h a s e n a n o c r y s t a l l i n em e t a l si s d e t e r m i n e db yb o t hs t r a i ng r a d i e n ta n dt h en a n o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i cl e n g t hp a r a m e t e r i na d d i t i o n ，t h es t r a i ng r a d i e n tp l a y sm o r ei m p o r t a n t r o l ei ns t r e n g t ha n dw o r kh a r d e n i n go fn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sw i t ht h ed e c r e a s i n g g r a ms i z e ( 3 ) t h ea r e ao fg r a i nb o u n d a r ya f f e c t e dz o n ei n c r e a s e sr a p i d l yw h e nt h eg r a i n s i z ed e c r e a s et on a n o m e t e re s p e c i a l l y , a n dp l a y se v i d e n te f f e c to nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs i n g l e - p h a s en a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s w i t ht h ei n c r e a s i n go fd i s l o c a t i o n p i l e u p sa l o n gg r a i n b o u n d a r yd u r i n g t h e p l a s t i c d e f o r m a t i o np r o g r e s s ，t h e w o r k h a r d e n e dl a y e ri s g r a d u a l l yf o r m e d a r o u n dg r a i nb o u n d a r y a f f e c t e dz o n e i v 硕士学位论文 b e s i d e s ，t h es t r e n g t ha n dp l a s t i cd u c t i l i t ya r ea l s oi m p r o v e do b v i o u s l y ( 4 ) a c c o r d i n g t on u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e s t r a i n h a r d e n i n g l a wf o r s i n g l e 。p h a s en a n o c r y s t a l l i n em e t a l s ，w ec a nf i n dt h a tt h ec r i t i c a l g r a i n s i z ef o r d i s l o c a t i o n sg e n e r a t i o ni sa r o u n d15n m b e s i d e s ，w h e nt h eg r a i ns i z ei sl o w e rt h a n15 n m ，g r a i nb o u n d a r ys l i d i n gg r a d u a l l yb e c o m e st h ed o m i n a n td e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ， t h a ti sa l s ow h yt h eu l t r a f i n en a n o c r y s t a l l i n em e t a l sd i s p l a y ss o f t e n i n g ( 5 ) t h et w i nb o u n d a r ye x h i b i t st h es i m i l a rs t r e n g t h e n i n ge f f e c ta n do u t s t a n d i n g m e c h a n i c a lb e h a v i o r sw i t hn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，w h o s es t r e n g t hi n c r e a s e sw i t h t h ed e c r e a s i n gt w i nb o u n d a r ys p a c i n ga n dt h i c k n e s s k e y w o r d s ：s i n g l e - p h a s en a n o c r y s t a l l i n em e t a l s ；s t r a i ng r a d i e n t ；d i s l o c a t i o n s ； s t r a i nh a r d e n i n g ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；n a n o t w i n n e dm a t e r i a l s v 目录 目录 摘要一i a b s t i t a c t i i i 目录v i 第1 章引言1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 纳米晶体材料微结构及其影响2 1 2 1 晶内结构2 1 2 2 晶界结构及界面效应3 1 3 纳米晶体材料力学性能及变形机制5 1 3 1 强度5 1 3 2 弹性力学性能6 1 3 3 塑性力学性能6 1 3 4 位错机制7 1 3 5 晶界滑移机制7 1 4 应变梯度塑性理论概述8 1 5 研究目的和研究内容10 参考文献1 2 第2 章基于应变梯度的纳晶单相材料本构模型1 4 2 1 纳米晶体材料的尺寸效应1 4 2 2 考虑应变梯度的纳晶单相材料两相复合模型15 2 2 1 应变梯度15 2 2 2 晶界影响区体积分数计算17 2 2 3 几何必需位错与统计储存位错1 9 2 2 4 两相几何复合模型1 9 2 3 考虑应变梯度的纳晶单相材料本构模型2 1 v i 硕士学位论文 2 3 1 晶内相统计储存位错计算2 1 2 3 2 晶界影响区相几何必需位错计算2 2 2 3 3 整体本构方程2 4 2 4 结果与讨论2 5 2 4 1 本构理论验证2 6 2 4 2 尺寸效应分析3 0 2 5 本章小结3 2 参考文献3 3 第3 章单相纳晶材料强化一应变梯度律3 6 3 1 前言3 6 3 2 纳晶强化应变梯度律3 8 3 2 1 应变梯度律理论推导3 8 3 2 2 晶界影响区的硬化作用3 9 3 3 结果与讨论4 3 3 3 1 纳观材料特征参数4 3 3 3 2 小于临界尺寸纳米晶体的晶界软化效应4 4 3 4 本章小结4 6 参考文献4 7 第4 章考虑应变梯度的纳米孪晶强化理论4 9 4 1 前言4 9 4 2 基于应变梯度的纳米孪晶本构模型5 0 4 2 1 纳米孪晶材料的尺寸效应5 1 4 2 2 孪晶界影响区5 1 4 2 3 本构模型建立5 2 4 3 结果与讨论5 6 4 3 1 本构模型理论验证与分析5 6 4 3 2 孪晶的应变强化5 8 4 4 本章小结6 2 参考文献6 4 v 1 i 目录 第5 章结论与展望一6 5 成 致 5 1 本文结论6 5 5 2 存在问题与展望6 7 果6 5 8不8 谓j 6 9 v i i i 硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第1 章引言 纳米材料又称纳米晶体材料或纳米结构材料，它是指材料特征维度尺寸至少 在一维方向上处于纳米量级( 1 0 0n l t l 以下) 的单相或多相晶体材料。纳米材料 包括零维纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米薄膜以及由这些基本构成单元组成的 金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料等三维纳米材料。1 9 8 1 年德国 材料科学家g l e i t e r 教授首先提出了“纳米晶体材料( n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ) ” 的概念，并于1 9 8 4 成功用惰性气体冷凝与真空原位加压法制备得到纳米晶体块 体，宣告了纳米块体材料的诞生，引起世界各国对这种新材料的极大关注，开创 了纳米材料和纳米科技的新时代【lj 。 图1 1 纳米材料二维结构模型2 1 。黑色原子代表晶内，白色原子代表晶界 f i g 1 1 t w o d i m e n s i o n a lm o d e lo fn a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l 【2 1 t h ea t o m si nt h ec e n t e r so f t h e c r y s t a l sa r ei n d i c a t e di nb l a c k t h eo n e si nt h eb o u n d a r yr e g i o n sa r er e p r e s e n t e da sw h i t ec i r c l e s 与传统粗晶材料相比( 平均晶粒尺寸大于1u r n ) ，纳米晶体材料在结构上存 在高体积分数的界面相，随着晶粒尺寸的减小，晶界的体积分数会明显提高，晶 界相对纳米材料的整体力学性能影响不容忽视。图1 1 为纳米晶体材料二维结构 示意图，它是由位于晶内和晶界两种分布规律不同的原子构成，其晶内原子呈有 序排列，而晶界处原子却呈无规则分布。在纳米材料微结构中，由于相邻晶粒之 间取向、形状等原因引起的晶格适配和晶粒间相互作用，晶界相中常常存在大量 缺陷，原子结构不同于理想晶格，原子平均间距偏大、微空隙和位错衍生等。对 第1 章引言 于传统粗晶材料，由于晶界体积分数相对比较小，界面相对材料整体力学性能影 响不明显。但随着晶粒尺寸减小到纳米量级时，界面相占很大的体积百分比，因 此要认识纳米晶体材料的变形机理和破坏规律，就需要深入的研究晶界相结构以 及其在整体变形中的作用 3 】。 纳米结构材料由于特殊的微观结构和塑性变形机制，使其具有优异的力学性 能，如表现为高强度( 强度和硬度增加数倍) 、良好的塑性变形能力等。最初， 由于纳米晶体材料制备工艺的不完善，纳晶块体晶粒尺寸不均匀、高密度的缺陷 和微孔隙等因素的存在，在很大程度上不能真实地反映纳米晶体材料力学性能。 同时，也给研究者提出有关纳米晶体材料力学性能本构模型，并较全面的描述其 力学行为带来了困难。随着各种制备纳晶金属块体材料的新技术和新工艺相继涌 现，并成功制备出高纯净、高致密度、低孔隙率和低缺陷的纳晶金属材料。高精 度测量和检测设备的出现，为系统深入研究纳晶材料的微结构变形机理和内禀特 性提供了实验支持。因此，纳米材料的塑性变形机制、拉伸延伸率、内禀特性影 响因素及塑性变形诱导纳米组织的形成机理等成为力学和材料科学共同关注的 前沿课题。 1 2 纳米晶体材料微结构及其影响 纳米晶体材料的微结构既包括其本征的固有微观结构特征( 极细小的晶粒尺 寸和高的界面体积分数等) ，也包括其非本征的微观缺陷( 位错、孔隙尺寸和分 布及杂质等) 。纳米材料的结构不同于常规物质，属于物质由宏观世界向微观世 界的过渡区域，所以许多传统的物理化学理论在这种非宏观与非微观的领域已不 再适用。影响纳米晶体结构的因素相当复杂，材料种类、颗粒尺寸、晶粒分布形 态、制备方法以及不同的分析方法等，都会对分析结果产生影响。虽然国内外学 者已对纳米材料的制备、结构与性能进行了大量的研究，但在基础理论方面还有 大量的工作亟待解决。而要进一步完善基础理论，就必须依靠先进的实验设备和 精确的测量技术，对其微结构进行观察和分析。 1 2 1 晶内结构 纳米晶体材料基本结构主要由晶内和晶粒界面两部分组成，其晶粒中原子呈 长程有序排列，晶界原子为无序状态，如图1 1 。晶粒内部原子按一定规律在空 2 硕士学位论文 间有规则地堆垛在一起，不同的排列方式形成不同的晶格，主要包括体一t l , 立方晶 格、面心立方晶格和密排六方晶格等。纳米晶粒内部的微观结构与传统粗晶体结 构基本一致，只是由于每个晶粒仅包含着有限个晶胞，晶格点阵必然会发生一定 程度的弹性畸变。尽管每个晶粒都非常小，但与传统粗晶材料类似，其内部同样 会存在着各种缺陷( 如点缺陷、位错、孪晶界等) c 4 】。 随着晶粒物理特征尺寸的减小，纳米材料中的晶粒比表面积明显增大，位于 表面的原子占有相当大的比例，具有很大的表面能，从而使得表面原子具有高的 活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。例如，金属的纳米粒子在空气中会燃 烧甚至爆炸，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 人们普遍认为纳米晶体中的晶粒具有完整晶体结构，因而在结构及性能分析 时，通常往往会忽略晶粒结构而只考虑到界面的作用。直到近期，实验结果表明， 纳米尺寸晶粒的结构与完整晶格有很大差异。目前，纳米晶体发生晶格畸变的原 因及机理尚不清楚，但不同的纳米晶体材料表现出不同的晶格畸变效应，说明晶 格畸变现象与样品的制备过程、微孔隙等诸多因素相关。因此纳米晶体中晶格畸 变的本质原因及其对纳米晶体材料性能的影响尚待进一步深入研究。 1 2 2晶界结构及界面效应 纳米晶体材料是由许多晶粒组成的多晶体，相邻晶粒间的界面称为晶界。晶 界的厚度一般被认为只有2 3 个原子层。在纳米晶体中，晶界体积分数高达1 5 5 0 ，且原子排列互不相同，界面周围的晶格原子结构互不相关，使得纳米材料 成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态。由于相邻晶粒的主轴发生相对 转动( 倾斜或扭转) 所造成的取向差不同，晶界的微观结构可以简单地分为小角 晶界，特殊大角晶界和混乱大角晶界三类【5 6 j 。晶界结构对固体材料的宏观性质 产生很大的影响，包括化学、物理及电磁等性质。本文仅讨论晶界对力学性能的 影响，而且主要讨论金属材料。晶界在高温下可以发生迁移，这对于金属再结晶， 晶粒长大和结构形成具有重要影响。由于晶界具有比邻近晶粒更为疏松的原子结 构，因此杂质容易在晶界上偏聚。含有少量杂质的金属，晶乔上杂质的浓度可以 比平均浓度高很多倍。杂质在晶界上偏聚可以改变金属的力学性能，往往增大沿 晶腐蚀和应力腐蚀的敏感性而导致开裂。 第1 章引言 ( a ) ( b ) 图1 - 2 晶界和晶内相对体积分数示意图。( a ) 微晶材料，( b ) 纳晶材料 f i g 1 2 c o r ea n dm a n t l em o d e l ，s h o w i n gr e l a t i v ef r a c t i o n so f g r a i nb o u n d a r ya n d g r a i ni n t e r i o rr e g i o n si nt h e ( a ) m i c r o c r y s t a l l i n ea n d ( b ) n a n o c r y s t a l l i n er e g i m e s 随着纳米晶体材料的粒径减小，界面原子所占比例迅速增大，如图1 2 ，相 对于粗晶材料，纳晶材料的晶界相占很大比例。纳米材料界面处的原子排列混乱， 表面原子配位严重不足，界面上存在大量缺陷，这就导致表面活性增加，晶格显 著收缩，晶格常数变小，以及表面原子输送和构型的变化，原子在外力作用下， 很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，与界面状态有关的吸附、 催化、扩散、烧结等物理、化学性质将与传统的大颗粒材料显著不同。 g l e i t e r 等人 1 】深入系统地研究了纳米单质金属f e 的界面结构，提出纳米晶 体中的界面与普通多晶体中的界面结构不同，表现出近程无序、长程亦无序的高 度无序状态，具有很大的过剩体积和过剩能，呈现出类似气体结构的所谓“类气 态结构”。而s i e g e l 等人则认为纳米晶体材料的晶界与普通粗晶材料的晶界具有 相似的结构形态，纳米晶界上原子排列是有序的或者局域有序的，并提出了纳米 晶界结构的有序说7 1 。纳米p d 的晶内及晶界结构的观察结果表明【8 】，纳米晶界结 构受晶粒取向和外场作用等因素的影响在有序和无序之间变化。一部分晶界显示 出完全有序的结构，而另一些晶界则表现出较大的无序性，这些无序的晶界在电 子束的长时间照射下会逐渐向有序结构转变。由此s a n d e r s 等人悼j 提出了纳米晶 界的有序无序说，即认为纳米晶界中有序结构与无序结构并存。 由于界面结构与界面性能和热力学特性密切相关，因此很难用一个统一的模 型来描述纳米晶界的微观结构。现实中，纳米材料的晶界结构与材料的制备方法、 键合类型、成分以及包含的杂质等因素密切相关。可见其晶界结构极其复杂，甚 至在同一块材料中不同晶界之间也各有差异一j 。 4 硕士学位论文 1 3 纳米晶体材料力学性能及变形机制 纳米晶体材料由于具有一系列优异的性能，自问世以来引起人们广泛的兴趣 和关注，其中力学性能一直是研究的热点之一。人们希望从本质上掌握纳米晶体 材料的力学性能以及影响其性能的主要因素，为纳晶材料的工程开发和应用打下 坚实基础。本文着重介绍金属纳米晶体材料的力学性能研究进展，包括强度和硬 度、弹性模量、塑性等。对纳米晶体材料变形机制的研究，不仅有助于理解纳晶 材料不同于传统粗晶、非晶材料的特殊性能，且有助于通过对其结构及变形的深 入探讨，可以改变相关结构参数制备工程需要的纳米晶体材料。 d 一1 7 2 鸯 图1 3 纳米晶硬度与晶粒尺寸d j 尼的关系 f i g 1 3 h a r d n e s sv s d 。1 7 2o f n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l 1 3 1 强度 传统粗晶材料的强度( 或硬度) h 与晶粒尺寸d 符合h a l l p e t c h 关系1 0 , 1 1 1 ： h = 凰+ k d 一1 2 ( 1 1 ) 其中峨为强度常数；k 定常数；d 为晶粒尺寸。此关系式表明随晶粒细化，材 料的强度也随之增大。而当晶粒尺寸减d , n 纳米尺度时，h a l l p e t c h 关系已不再 适用。实验测试一些纳米材料的硬度，结果显示随着晶粒尺寸的减小，有些材料 的硬度升高，有些材料的硬度会降低。由于影响强度或硬度测试结果的因素很多， 如制备方法、处理方法、应力状态、微观结构、样品的致密度以及合金和化合物 的相组成、成分分布及界面组态等，而且理想的纳米材料实验上难以获得，所以， s 第1 章引言 各国学者得到的实验数据不尽相同，但总体趋势还是一致的。除去非本征因素对 微结构的影响，可认为粒径减小时强度硬度与晶粒尺寸d 的关系可用图1 3 表示。 i 阶段符合h a l l p e t c h 关系，即材料的强度和晶粒尺寸d 1 2 成正比例关系；i i 阶 段为偏离h a l l p e t c h 关系，d 的幂不再是1 2 ；i i i 阶段为反h a l l p e t c h 关系，即 粒径小于临界值盔时，硬度强度反而随粒径减小而降低，材料宏观行为表现为 软化。 1 3 2 弹性力学性能 最初的拉伸实验和纳米压痕实验2 , 1 2 1 研究表明，纳米金属的弹性模量比相应 粗晶多晶材料大幅降低，最大降幅高达7 0 。g l e i t e r 的解释是纳米金属随着晶粒 尺寸减小，其晶界和三晶交体积分数较大，而晶界区域的平均原子间距比晶内大， 假设其原子间相互作用势与晶粒内相同，则弹性模量比晶粒内小，故整体来讲纳 米材料的平均弹性模量比粗晶材料下降 1 3 。按照此理论应该所有纳米晶体材料的 弹性模量都明显低于对应的粗晶材料，但事实并非如此，一些纳米晶体材料的弹 性模量并没有明显的降低。例如，l e g r o s 等人 1 4 的微试件拉伸试验中，纳米晶 体n i 和c u 的弹性模量和相应粗晶材料基本相同。 另一种解释认为，纳米晶体材料的弹性模量与其孔隙率密切相关，随孔隙率 减小，弹性模量增加，由于孔洞存在减小了外应力的有效受力面积，而裂纹的存 在引起了应力集中。纳米晶银的弹性模量随密度的变化规律呈现三个明显的阶 段，即当密度小于约9 2 时，弹性模量随密度增加而增加；当相对密度为9 2 9 4 时，弹性模量对密度变化不敏感；而当相对密度大于9 4 时，弹性模量又随 密度增加而迅速增加。可见纳米晶材料中的孔隙、缺陷或裂纹对弹性模量有重要 影响。 1 3 3 塑性力学性能 材料的塑性指其发生塑性变形而不断裂的能力，拉伸和压缩试验是获得材料 的延伸率、屈服强度乱、抗拉压强度、断裂强度、断裂韧性等塑性力学性质的 重要方法，比显微硬度更充分地评估纳米材料的总体力学性能。 研究表明纳米金属的强度比粗晶的好，而延展性改善的报导很少。g l e i t e r 等发现晶粒尺寸为8n m 的纳米晶f e 断裂强度是粗晶f e 的1 2 倍 13 1 。w e e r t m a n 6 硕士学位论文 等人【b j 发现7n m 纳米晶p d 的屈服应力是粗晶p d 的5 倍；2 5n m 纳米晶c u 的 屈服应力是粗晶c u 的1 2 倍；2 1n m 纳米晶a g 在真实应变6 时也未断裂且表 现出加工硬化。 周宇松等人 16 j 对惰性气体冷凝真空原位温压制备的大尺寸纳米晶c u 和a g 试样进行拉伸试验，测得纳米晶c u 的拉伸屈服强度、断裂强度和延伸率分别为 1 1 8m p a 、2 3 7m p a 和0 0 6 ，是粗晶c u 的1 4 2 、1 8 2 和0