（化工过程机械专业论文）纳晶材料的变形理论与数字化模型.pdf

硕士学位论文 摘要 基于纳米晶体材料优异的力学性能，对纳晶材料本构模型进行研究意义显 著。本文运用能量法描述纳米晶体的变形机理、微结构演化和力学模型；利用直 流电弧等离子蒸发的方法制备纳米n i 粉体，通过预压烧结将纳米n i 粉体制备成 纳米n i 块体试样进行实验验证；将预测模型运用于纳米m g 和c u 并与实验值比 较；基于目前纳米材料有限元技术的发展，本文进行了纳米材料微结构模型的构 建和晶粒尺寸分布统计，为研究纳米材料本构模型提供依据。 本文的具体工作如下： ( 1 ) 考虑位错和晶界滑移理论，建立纳晶材料的本构模型。考虑整体位错 和局部位错研究位错机理；引入a s h b y v e r r a l l 的扩散适应模型研究晶界滑移。 ( 2 ) 在纳晶材料的拉伸和压缩过程中考虑缺陷的影响，研究失效应变与应 变速率和晶粒尺寸的关系。 ( 3 ) 引入缺陷表面积s ，研究其与晶粒尺寸和应变速率的关系。 ( 4 ) 通过直流电弧等离子蒸发和预压烧结的方法获得不同晶粒尺寸的纳米 晶体n i 试样，并进行压缩实验，验证模型的可行性。 ( 5 ) 通过纳米m g 与c u 的模型预测值与文献中实验值的比较，进一步验证 构建模型的可行性。 ( 6 ) 尝试构建数字化模型，为以后的有限元建模提供条件。 通过以上研究，得到如下结论： ( 1 ) 位错和晶界滑移是纳米晶体材料主要的变形机理。 ( 2 ) 缺陷的萌生和生长对纳晶材料的力学性能具有显著影响。压缩条件下 材料缺陷产生的过程受到限制；在拉伸载荷下，缺陷的萌生和生长较快，能量耗 散较多。 ( 3 ) w e i 的实验数据与本文模型的预测比较表明：压缩和拉伸以及不同应 变速率下的应力应变曲线的预测值与实验数据吻合较好，这说明本文模型不仅 可以描述与晶粒尺寸、应变速率相关的纳晶材料力学性能，而且反映出准静态条 件下拉伸和压缩条件下非对称缺陷的发展。 ( 4 ) 构建的纳米晶体材料微结构数字化模型通过分布统计符合实际情况， 摘要 可以为后续的有限元研究提供参考。 关键词：纳晶压缩本构模型孑l 隙缺陷 硕士学位论文 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt ob u i l dt h ec o n s t i t u t i v em o d e lo f n a n o c r y s t a l l i n ea c c o r d i n gt oi t s u n u s u a lm e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s an e wc o n s t i t u t i v em o d e li sp r o p o s e dt o d e s c r i b et h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dm e c h a n i c a l r e s p o n s e o f b u l k n a n o c r y s t a l l i n e m a t e r i a l s u s i n g t h e e n e r g ya p p r o a c h t h e n a n o c r y s t a l l i n en ip o w d e rw a sp r e p a r e db yu s i n gt h ed i r e c tc u r r e n t ( d c ) a r cp l a s m a e v a p o r a t i o nm e t h o da n dt h eb u l kn a n o c r y s t a l l i n en is a m p l e sw e r et h e nm a d eb y c o m p a c t i o na n dh o ts i n t e r i n gf o re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n t h em o d e la p p l i c a t i o nt o n a n o c r y s t a l l i n em ga n dc uw a su s e dt oc o m p a r ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t e w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ef e ms i m u l a t i o no nn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，ad i g i t a lm o d e lw a s g e n e r a t e da n d t h es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e da n dt h i sw i l ll a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h er e s e a r c ho fc o n s t i t u t i v em o d e lo fn a n o c r y s t a l l i n e t h es p e c i f i cw o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ac o n s t i t u t i v em o d e lw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ed i s l o c a t i o na n dg r a i n b o u n d a r ys l i d i n gt h e o r y t h ed i s l o c a t i o nt h e o r yw a ss t u d i e db yc o n s i d e r i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng l o b a la n dl o c a ld i s l o c a t i o n s ；t h eg r a i nb o u n d a r ys l i d i n gt h e o r y w a si n v e s t i g a t e db ya d d i n ga s h b y v e r r a l le q u a t i o nf o rt h ed i f f u s i o n a la c c o m m o d a t i o n m o d e l ( 2 ) m a t e r i a li m p e r f e c t i o n sw e r ec o n s i d e r e di nt h et e n s i o na n dc o m p r e s s i o nc a s e s t or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a i l u r es t r a i na n ds t r a i nr a t ea sw e l la sg r a i ns i z e ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns t r a i nr a t ea n d g r a i ns i z ew a ss t u d i e db y c o n s i d e r i n gd e f e c ts u r f a c ea r e as ( 4 ) t ov a l i d a t et h em o d e l ，b u l kn a n o c r y s t a l l i n en is a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts i z e s p r e p a r e db yt h ed ca r cp l a s m ae v a p o r a t i o nm e t h o da c c o m p a n y i n gh o t s i n t e r i n g c o n s o l i d a t i o nw e r eu s e dt oc o n d u c tc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s ( 5 ) t h ew o r ko fc o m p a r i n gb e t w e e nm o d e lp r e d i c t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t eo f n a n o c r y s t a l l i n em ga n dc uw a sd o n ei no r d e rt ot e s t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e i m p r o v e dm o d e l i i i a b a s e u a c t ( 6 ) t r yt og e n e r a t ead i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e lf o ro u rf u r t h e rr e s e a r c h 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 ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a t i nt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fn a n o c r y s t a l l i n e m a t e r i a l s ，t h ed i s l o c a t i o ng l i d em e c h a n i s ma n da c c o m m o d a t e dg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g a r et 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 s ( 2 ) t h eg e n e r a t i o na n dg r o w t ho f d e f e c tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s t h ed e f e c td e v e l o p m e n td u r i n gt h e p l a s t i c d e f o r m a t i o ni sv e r yl i m i t e du n d e rc o m p r e s s i o n ；w i t ht h el a r g ea m o u n to f e n e r g yr e l e a s e d ，t h ed e f e c tg e n e r a t e sa n dg r o w sf a s tu n d e r t e n s i o n ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a ld a t ar e p o r t e db yw e ih a v eb e e ne x t r a c t e dt oc o m p a r ew i t h o u rm o d e lp r e d i c t i o n t h ec o m p a r i s o ns h o w st h a tt h ep r e d i c t e ds t r e s s - s t r a i nc u r v e sa t d i f f e r e n ts t r a i nr a t e sm a i n t a i nq u i t eg o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t au n d e r b o t hc o m p r e s s i o na n dt e n s i o nc o n d i t i o n s ；t h i si n d i c a t e st h a to u rm o d e lc a nn o to n l y d e s c r i b et h e g r a i n s i z e a n ds t r a i n r a t e d e p e n d e n t m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，b u tc a na l s o r e f l e c tt h ea s y m m e t r i cd e f e c td e v e l o p m e n t b e t w e e nt e n s i o na n dc o m p r e s s i o nu n d e rq u a s i - s t a t i cc o n d i t i o n s ( 4 ) t h eg e n e r a t e dd i g i t a l m i c r o s t r u c t u r em o d e lf o l l o w e dt h ee x p e r i m e n t a l o b s e r v e ds t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o n ，w h i c hc a np r o v i d eh e l p f u ls u p p o r tf o ro u rf u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ；c o m p r e s s i o n ；c o n s t i t u t i v em o d e l i n g ； p o r o s i t y ；d e f e c t i v 硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 目录i 第l 章引言1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 纳晶材料的力学行为2 1 2 1 弹性模量2 1 2 2 强度和硬度2 1 2 3 塑性变形3 1 2 4 蠕变4 1 3 制备方法4 1 4 本构模型的研究进展5 1 5 本文研究目的和研究内容7 参考文献1 0 第2 章纳晶材料本构模型构建与实验研究1 4 2 1 变形机理和对变形的影响1 4 2 1 1 位错1 4 2 1 2 晶界滑移1 7 2 2 压缩和拉伸条件下的本构模型2l 2 3 实验研究2 5 2 3 1 纳米n i 试样的制备2 5 2 3 2 纳米n i 的压缩实验2 7 2 4 本章小结2 8 参考文献2 9 第3 章模型预测与实验值验证31 目录 3 1 纳米n i 压缩实验验证31 3 2 纳米m g 预测值和实验值比较3 3 3 3 纳米c u 预测值和实验值比较3 5 3 4 缺陷表面积的生长3 7 3 5 屈服应力3 9 3 6 本章小结4 0 参考文献4 2 第4 章数字化模型构建4 3 4 1 数字化模型构建的背景和意义4 3 4 2 有限元模拟的研究近况4 4 4 3 目前数字化模型构建的方法4 6 4 4 模拟原理方法及其结果4 7 4 4 1 模拟原理4 7 4 4 2 模拟方法4 8 4 4 3 模拟结果4 9 4 5 本章小结5 0 参考文献51 第5 章结论与展望5 3 5 1 本文结论5 3 5 2 问题与展望5 4 成果5 5 致谢5 6 硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究背景及意义 纳米晶体材料是由纳米尺度的晶体组成的单相或多相多晶体材料，一般其晶 体尺寸在1 0 0n m 以下。自从德国g l e i t e r 教授采用惰性气体凝结和超真空条件下 原位加压的技术制备了纳米金属颗粒【i 】后，已有许多技术被用来制备纳米晶体材 料 2 。6 。和传统粗晶多晶体材料相比，纳米晶体材料独特的结构特征使其物理和 化学性能都发生了显著的改变，力学方面的明显变化表现为高强度( 强度和硬度 增加数倍) 、良好的塑性变形能力等。因此，世界各国的科学家竞相开展对这种 新材料的研究工作。进入2 1 世纪后，纳米晶体材料的研究呈加速发展的态势， 而纳米晶体材料的力学行为是其中的一个重要研究热点。由于受到近年来材料、 物理及计算机模拟技术方面不断出现的新成果的支撑，纳米晶体材料力学行为的 研究具备了很大的发展空间。与此同时，国际理论与应用力学联合会( i u t a m ) 在2 0 0 2 年已将“力学中的微纳米尺度行为”设立为1 u t a m 的第7 个工作委员 会，2 0 0 5 年将在北京召开“纳米结构材料的力学行为和细观力学”i u t a m 学术讨 论会。中国国家自然科学基金委也已在2 0 0 2 年批准了对“纳米力学”重点项目的 立项 _ 7 1 。力学领域已造就了以纳米力学为标志的一块新的国际前沿领域，而研究 纳米晶体材料的力学行为是其中的一个重要部分。 相对于粗晶和微晶材料，由于纳米晶体材料晶粒的超细化，其内部呈现多界 面的特征；此外，微孔隙在一些纳米晶体材料中普遍存在，尤其是纳米陶瓷材料 和用常规方法制备的纳米金属材料都有大量微孔隙存在。中科院沈阳金属研究所 卢柯院士等利用电解沉积技术制备出高纯度、高致密度的块状纳米c u 样品。在 室温下冷轧c u 样品可得到延伸率超过5 1 0 0 的超塑延展性，且冷轧过程中无加 工硬化效应产生。该成果发表在2 0 0 0 年的s c i e n c e 杂志上。他们同时指出，能 够成功地获得纳米c u 样品的室温超塑延展性，主要应归功于样品中的缺陷减 少。因此，在对纳米晶体材料的力学行为进行全面研究时，晶粒、晶界及微孔 隙等结构特征对纳米晶体材料的力学性能的影响都应做出充分的考虑。 鉴于纳米晶体材料的优异性能，要深入理解纳米材料的高屈服应力，高延展 第1 章引言 性、室温超塑性和较好的耐磨性等特点，需要构建纳米材料的本构模型，定量地 分析影响纳米材料性能的相关因素，从而深入地理解纳米材料的力学性能。 1 2 纳晶材料的力学行为 1 2 1 弹性模量 纳晶块体材料的弹性模量与孔隙率密切相关，而与晶粒尺寸和界面性质无 关。之前的观点认为纳晶材料晶界处存在大量的原子，且密度较低，导致弹性模 量伴随晶粒尺寸的减少而降低 5 1 。f o u g e r e 8 1 利用惰性气体冷凝法制备不同孔隙率 ( 2 3 0 ) 和晶粒尺寸( 4 2 0n m ) 的纳晶f e ，并利用纳米压痕方法测量杨氏 模量后发现，杨氏模量仅取决于孔隙率，而与晶粒尺寸无关。 如果将纳晶材料看作晶粒和晶界组成的复合材料，弹性模量实质上是各部分 弹性常数的体积平均值。微观应变引起的内应力具有平衡性质，因此对宏观模量 无贡献。由于晶粒具有各向异性弹性，进行平均时要考虑到取向分布，因此具有 一定织构的纳晶金属一般会呈现弹性各向异性6 1 。 1 2 2 强度和硬度 屈服应力与硬度之间的关系符合h a l l p e t c h 关系，具体的公式如下 一! o y = 吼+ 射2 ( 1 - 1 ) 一三 日= h o + k d 2 ( 1 - 2 ) 式中：o y 为屈服应力，o o 为晶格摩擦力，k 是正常数，d 是晶粒平均直径， h 为硬度。屈服应力和硬度伴随晶粒尺寸的减少而增加，并且与d - 1 2 成线性关系。 对纳米晶体材料硬度与晶粒尺寸关系的研究表明，也存在反常h a l l p e t c h 关 系，见图1 1 9 1 。f o u g e r e 8 1 指出当不同晶粒尺寸的纳米金属材料是直接制备得到 时，符合h p 关系，而当晶粒尺寸的改变方式是退火获得时，不符合h p 关系。 2 硕士学位论文 图1 1c u 由粗晶至纳晶尺寸过渡过程中屈服应力与晶粒尺寸的曲线图 f i g 1 一lc o m p l i e dy i e l ds t r e s sv e r s u sg r a i ns i z ep l o tf o rc uf r o mv a r i o u ss o u r c e sr a n g i n gf r o m c o a r s et on a n o g r a i ns i z e 目前，对纳米固体材料反常h a l l p e t c h 关系的解释有如下几种观点： ( a ) 随纳米晶粒直径的减少，高密度的晶界导致晶粒取向混乱，界面能量 升高，界面原子动性大，这就增加了纳米晶体材料的延展性，即引起软化现象。 ( b ) 纳米晶体材料中的三晶界体积分数高于常规多晶材料。三晶界处原子 扩散快，动性好，三晶界实际上就是旋错，旋错的运动就会导致界面区的软化， 这种软化现象就使纳米晶体材料整体的延展性增加，用这种观点可以很容易解释 纳米晶体材料的反h a l l p e t c h 关系，以及k 值的变化。 ( c ) g l e i t e r 1 】等人认为给定的温度下纳米材料存在一个临界尺寸，低于这个 尺寸，界面粘滞性流动增强，引起材料的软化；高于这个尺寸，界面粘滞性流动 减弱，引起材料硬化。s c a t t e r g o o d 1 0 1 和k o c h 1 1 1 认为晶粒尺寸小于某一尺寸时， 晶内位错由于晶界位错在载荷的影响下向晶粒内弯曲。 1 2 3 塑性变形 普通多晶材料的塑性变形是由于晶粒内部位错的滑移和攀移，晶粒沿晶界的 剪切，形变过程中的加工硬化，以及从晶界向晶粒内的位错堆砌( p i l e u p ) 2 1 。 纳米晶粒从空间上限制了位错的增殖和堆垛，所以在纳米材料中不可能产生多晶 第1 章引言 材料中的那种位错运动。晶体的塑性变形通常是通过晶格位错的移动和扩散蠕变 而发生的。c h o k s h i 等人 1 3 1 已经用c o b l e 蠕变解释了纳米晶体材料中硬度随晶粒 尺度的变化。当晶格位错固定不动而扩散蠕变又仅在熔点附近进行的话，材料在 低温时就容易破裂。 常规金属材料的塑性变形是由于位错增殖和运动引起的。位错彼此之间、位 错与晶界和三晶交以及其他各种因素造成的长程或者短程内应力场之间的交互 作用，使得位错平均可动性下降，进一步塑性变形就必须施加更大的应力，从而 导致应变硬化。由于晶粒度限制，可动位错的平均自由程小于或等于晶粒尺寸， 因此若与粗晶变形相当需要开动更多的位错。位错由一条晶界发射，被另一晶界 捕获后，就会对位错源作用有一定的背应力，使得材料硬化 6 。 1 2 4 蠕变 蠕变是在应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形 不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时 间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。蠕变的机制主要由扩散或位错运 动控制。n a b a r r o 和h e r r i n g 提出了沿晶粒内部扩散的稳定态蠕变速率，c o b l e 提出了沿晶界进行扩散的蠕变速率。蠕变随温度，应力的增加而增加；同时显微 结构也对纳晶材料的蠕变性能产生影响，例如：伴随孔隙率的增加，蠕变率也增 加；晶粒尺寸的减少也有助于蠕变率的增加。 1 3 制备方法 纳米材料的制备方法通常包括粉末冶金，电沉积法和严重塑性变形方法。 粉末冶金是一种常见的制备方法，一般包括纳晶颗粒或团簇的制备、采集和 压制成块体等若干步骤 1 4 。粉末冶金所需的纳晶颗粒有不同的制备方法，例如 气相法、液相法和球磨法。气相法的基本思路是通过蒸发冷凝过程得到纳晶颗 粒。球磨法是将硬质球和金属或者合金粉末按一定的比例装入球墨机，通过转动 或者振动使得硬质球研磨粉末，使之反复发生强烈塑性变形和破碎，从而达到细 化颗粒的目的 6 1 。 电沉积法的基本原理是在直流或者脉冲电场的作用下，在电解质溶液中由阳 极和阴极构成回路，使得溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面的过程。电沉积 4 硕士学位论文 方法常被用来制备涂层或者独立的结构。可以通过改变电解液的化学成分、p h 值等来控制晶粒的大小、分布和织构。 严重塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 方法的典型手段有：等通 道挤压法、压力扭转法和高速喷丸法。 例如：等通道挤压法是棒状样品反复通过具有一定角度的等截面通道。样品 在拐角处发生严重的剪切变形，使得具有大角度晶界的超细晶材料 u 17 】，亚晶粒 转化为晶粒。在以上变形过程的同时，晶界和亚晶粒位错密度随变形增加，晶粒 得到进一步细化，从而达到亚微米或者纳米量级 6 】。 1 4 本构模型的研究进展 由于纳米晶体材料具有优异的力学性能，近年来有不少国内外研究者提出有 关纳米晶体材料的本构模型，试图较全面和合理地描述其力学行为。朱文辉等 1 8 把纳米晶体材料等效成由晶粒基体和晶间界面夹杂组成的复合材料，对其屈服应 力特征作了详细讨论，依次得到了纳米晶体材料屈服应力偏离h a l l p e t c h 关系的 尺寸范围。c a r s l e y 等人 1 9 】同样采用类似的复合体系( 假定纳米晶体材料由晶粒 和晶界两相夹杂组成) ，并假定纳米晶粒尺寸与其强度关系依然符合h p 关系， 晶界的强度为常数，采用两相各承担部分应力的的原则初步解释了材料随晶粒尺 寸减小而软化的行为。n a z a r o v 2 0 】在a r m s t r o n g 等人【2 l 】提出的纳米晶粒内位错堆 积理论的基础上，进一步考虑实际晶粒尺寸服从对数正态分布，得到了晶粒自身 强度与尺寸的理论关系( 在纳米尺度下偏离h p 关系) 。以上模型主要讨论纳米 晶体材料的屈服强度，与全面构建本构模型还有一定的距离。 王彪等 2 2 1 假定纳米材料为一种二相复合体系，以微晶中的位错运动和非晶 态晶界中的剪切带为理论基础，采用能量法得到纳米材料的硬化规律和递增的应 力一应变关系。c a p o l u n g o 等人跚在他们发表的论文中采用类似的两相复合体 系，在晶粒的变形机理中同时考虑了位错和c o b l e 蠕变，晶界变形仍以理想弹塑 性为主，采用自协调方案来确定纳米晶体材料的本构关系；几乎在同时，k i m 等 人 2 4 】也在其成果中采用类似的两相复合体系，在晶粒的变形机理中同时考虑了 位错、c o b l e 蠕变和n h 蠕变，晶界变形机理为扩散控制的粘塑性流动，采用各 相等应变的自协调方案确定纳米晶体材料的本构方程。这几个模型均包含了应变 速率对应力应变关系的影响，它们的共同不足之处是没有计及纳米陶瓷和纳米合 s 第1 章引言 金中多相晶粒共存及各晶体相在体积分数、晶粒尺寸及材料性能上的独立性和相 关性。此外，有关微孔隙的作用也无定量评价。 k h a n 等人【2 5 】改进了描述多晶体材料的经验本构模型，试图来描述纳米金属 材料的本构模型并反映晶粒的尺寸效应；进而基于g u r s o n 的屈服准则 2 6 】进一步 得到了能够考虑微孔隙率作用的纳米晶体材料本构模型，模型预测和实验数据吻 合较好。但该模型缺乏足够的物理基础，多相晶粒共存及各相晶粒在体积分数、 晶粒尺寸及材料性能上的独立性和相关性依然无法分析得到。 w e n g 等人 2 7 。2 9 近年来也对这种复合体系的纳米晶体材料本构方程进行了深 入的研究。在他们发表的成果 2 8 2 9 1 中，提出了一个基于微观变形机理的纳米复合 体系本构模型。在此模型中，对各晶体相及晶界相均独立建立本构方程，它们各 自的平均应力应变张量由总的自协调方案 2 7 2 8 1 确定；同时，孔隙的平均应变由直 接自协调方案得到。但该模型没有能反映应变速率的变化对力学行为的影响，因 此难以在准静态和动态加载条件下接受实验应力应变数据的检验，而只能对材料 静屈服强度作出分析，应用受到很大的局限。此外，该模型在考虑晶粒屈服强度 时依旧采用h a l l p e t c h ( h p ) 关系，没有涵盖超细尺寸纳米晶粒的变形机理等 也是缺陷所在。 综上所述，纳米晶体材料的非线性本构模型已成为纳米力学这一学术研究前 沿中的一个研究热点。目前国内外还没有一个基于结构变形机理的含孔隙多相纳 米晶体材料的本构模型( 该模型能够描述多种晶体相共存的纳米晶体材料与晶粒 尺寸、应变速率及孔隙率相关的力学行为) 。有关这方面的研究对于综合和分析 纳米晶体材料各结构特征的变形机理及对其力学性能的影响、纳米尺度下复杂复 合夹杂体的力学理论发展及最终纳米晶体材料的工程应用等都将有着重要的推 动作用。 近年来，有关纳米晶体材料结构特征的计算机模拟( 例如，图1 2 为s c h i o t z 等人模拟的纳米晶体材料的结构特征) 及实验结果【3 0 - 3 2 1 等频频在s c i e n c e 、n a t u r e 等杂志上发表，几位国际上著名的该研究方向的科学家陆续提出了他们的有关最 新模型 2 3 - 2 6 , 2 8 - 2 9 】，纳米晶体材料的制备和力学测试手段也趋于完善 2 8 。2 9 】。所有这 些都为本课题研究方案的实施和实验试件的制备提供了有价值的、可供参考的经 验。 6 硕士学位论文 图1 2 计算机模拟显示的纳米晶体材料的结构特征 f i g 1 2t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fn a n o c r y s t a l l i n ec uu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n 1 5 本文研究目的和研究内容 为了系统理解晶粒尺寸和应变速率对纳米晶体材料的影响，许多学者提出基 于混合方法的力学模型。f u 等人【3 3 3 4 】提出纳晶材料可以看作晶粒与晶界工作硬 化相，并建立了解析方法和数字化模型的方法研究纳晶材料的力学性能。k i m 等 人 2 4 采用晶粒和晶界相的混合模型研究与应变速率相关的纳晶材料力学性能。 本课题组之前的文献 3 5 - 3 6 1 也提出了一个新的描述体心立方晶格( b c c ) 和面心立 方晶格( f c c ) 纳晶材料的混合方法。除了上述的混合方法，近年来也出现了一 些基于微力学的模型，并分别阐述纳晶材料的塑性。w e n g 和他的同事提出与应 变速率无关咧和与应变速率有关【3 7 的力学模型，并且分别阐述了纳晶材料的塑 性。c a p o l u n g o 等人 2 3 】采用自适应模型模拟纳晶材料的力学行为。尽管模型可以 解决一定的问题，但仍存在一些明显的分歧。首先，k u m a r 等人 3 8 试验结果显 示纳晶n i 中并没有明显观察到晶界相，晶体化一直延伸至晶界。其次，我们很 难用准确的体积分数来划定晶粒和晶界两相，从而获得它们独立的变形机理和力 学模型。在这点上，w e i 3 9 1 和、m e r 4 0 1 提出在纳晶材料的数字化模型时，将晶界 处理为交界面。 另一种选择是将纳晶材料作为一个整体建立力学模型。通过这种方式，z h u 【4 u 提出了连续理论模型研究位错和晶界滑移。c o n r a d 和n a r a y o n 4 2 1 提出与晶粒尺寸 相关的力学模型，考虑晶界滑移作为主要的变形方式。y a n g 和w a n g 4 3 通过提取 9 晶簇模型的变形机理提出一套微力学理论研究纳晶材料蠕变。这些研究对纳晶 材料性能的理解提供很好的借鉴。但仍有一些未解决的问题，主要问题如下：( a ) 一些重要的变形机理并未在这些模型中涉及；( b ) 特定的机理，例如三晶交处的 7 第1 章引言 应力协调并未考虑；( c ) 晶界处和三晶交处的：f l n 未考虑。即使在高纯度的纳晶 材料中，孔洞也可通过楔形处的晶界滑移产生。 基于这些考虑，本论文研究目的是建立一个新的本构模型，利用能量法描述 纳晶材料的变形机理，微观演化和力学性能。在这个模型中，纳晶材料看作一个 整体承担位错、扩散、晶界滑移和其他变形机理，这些变形机理和相互间的竞争 将在塑性分析中描述。该模型需要描述纳米晶体材料与晶粒尺寸、应变速率相关 的力学行为。除此以外，孔洞的产生和演化也将在模型中考虑并加以实验验证。 本文的具体研究内容可分成以下几个层次： ( 1 ) 制备出研究所需的块体纳米晶体试样，并对制备试样在准静态下进行力 学性能测试，以获得本研究需要的应力应变数据。系统研究应变速率和晶粒尺 寸对纳米晶体材料力学行为的影响。 ( 2 ) 依据国际上有关纳米晶体材料的实验结果、力学理论和计算机模拟研究 结果，分析与应变速率和晶粒尺寸相关的变形机理。 ( 3 ) 将纳米晶体材料的晶粒、晶界作为一个整体，构建基于变形机理的纳晶 材料非线性本构方程。 ( 4 ) 引入缺陷，考虑拉伸和压缩时缺陷不同的作用方式构建本构方程。 ( 5 ) 鉴于纳晶材料模型研究的进展，对纳晶材料进行数字化模型构建，为有 限元分析提供条件。 需要解决的问题如下： ( 1 ) 纳米晶体与应变速率和晶粒尺寸相关的变形机理和本构方程 确定纳米晶体的变形机理是构建纳米晶体材料本构模型的前提和基础。对普 通的金属多晶体材料适用的位错与蠕变变形机理并不完全适用于纳米晶体材料。 对纳米材料来说，存在一最佳晶粒尺寸，在该尺寸下材料具有最高的强度和硬度。 因此，确定纳米晶体与应变速率和晶粒尺寸相关的综合变形机理并获得基于此的 非线性本构方程是本研究拟解决的问题之一。 ( 2 ) 考虑材料缺陷在纳晶材料失效过程中的影响 在材料拉伸和压缩过程中，考虑缺陷的不同作用方式，建立可以统一考虑拉 伸和压缩的纳晶材料本构方程，并与真实的实验进行比较，对本构方程进行改进。 8 硕士学位论文 ( 3 ) 实验中拟解决的关键问题 晶粒尺寸、孔隙率可控的高纯净界面三维大块纳米晶体材料试样制备及其微 观结构定量表征。通过实验获得课题需要的试样，并进行数据比较。如何得到较 为满意的试样，需要找寻实验的方法和实验参数，来控制所得到的晶粒尺寸，这 些都是需要在实验中摸索的。 ( 4 ) 数字化模型的构建 通过对纳米晶体有限元分析研究背景及其国内外研究的分析，在进行有限元 建模时，需要首先构建纳晶材料的微结构数字化模型。如何准确地构建比较真实 的数字化模型，需要参阅文献来完成数字化模型的构建，并且对模型进行尺寸分 布统计，从而为后期有限元模拟提供参考。 总之，对于纳晶材料性能的研究归根到底是要找到与晶粒尺寸和应变速率相 关的本构方程。在构建模型时，需要考虑两个主要变形机理：位错和晶界滑移。 对于构建的模型还需要与实验值进行比较，并对模型进行修正，最终获得可以描 述纳晶材料力学性能的本构模型。 9 第1 章引言 参考文献 1 】g l e i t e rh n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s j p r o gm a t e rs c i 1 9 8 9 ，( 3 3 ) ：2 2 3 - 3 1 5 【2 】b r r i n g e rr n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ：a na p p r o a c ht oan o v e ls o l i ds t r u c t u r e w i t hg a s - l i k ed i s o r d e r j p h y sl e t t 1 9 8 4 ，( 1 0 2 a ) ：3 6 5 - 3 6 9 3 】c h o uc ，p h i l l i p sj p l a s m ap r o d u c t i o no fm e t a l l i cn a n o p a r t i c l e s j jm a t e rr e s 1 9 9 2 ，( 7 ) ：2 1 0 7 2 11 3 4 s u r y a n a r a y a n ac n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s j i n t e rm a t e rr e v 1 9 9 5 ，( 4 0 ) ： 4 1 6 4 5 】k o c hcc t h es y n t h e s i sa n ds t r u c t u r eo fn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sp r o d u c e d b ym e c h a n i c a la t t r i t i o n ：ar e v i e w 【j n a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l s 1 9 9 3 ，( 2 ) ： 1 0 9 1 2 9 6 卢柯，周飞纳米晶体材料的研究现状 j 金属学报，1 9 9 7 ，( 3 3 ) ：9 9 - 1 0 6 7 杨卫，王宏涛，马新玲等纳米力学进展( 续) 【j 力学进展，2 0 0 3 ，( 3 3 ) ： 1 7 5 1 8 6 【8 】f o u g e r ege ，r i e s t e rl ，f e r b e rm y o u n g sm o d u l u so fn a n o c r y s t a l l i n ef e m e a s u r e db yn a n o i n d e n t a t i o n j m a t e rs c ie n ga 19 9 5 ：1 - 6 9 m e y e r sma ，m i s h r aa ，b e n s o ndj m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn a n o c r y s t a l l i n e m a t e r i a l s j p r o gm a t e rs c i 2 0 0 6 ，( 51 ) ：4 2 7 5 5 6 10 s c a t t e r g o o dro ，k o c hcc m o d i f i e dm o d e lf o rh a l l p e t c hb e h a v i o r i n n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s a c t am a t e r 19 9 2 ，( 2 7 ) ：119 5 - 2 2 0 0 11 k o c hcc s y n t h e s i so fn a n o s t r u c t u r e dm a t