纳米材料基础-第四章力学性能1.ppt

第三章纳米材料的性能,纳米材料的力学性能纳米材料的电学性能纳米材料的磁学性能纳米材料的光学性能纳米材料的热学性能,纳米材料的力学性能,A.Elasticity(弹性)B.Plasticity(塑性)C.Strength(强度)D.Brittleness(脆性)E.Fatigue(疲劳性能),力学性能(MECHANICALPROPERTIES),应力:,应变:,拉伸实验TensileTest,滑移线SlipPlanes,拉伸过程示意图,面心立方滑移面(111),体心立方滑移面(110),密排六方滑移面(0001),多晶变形,3.1纳米材料的力学性能,3.1.1纳米材料力学性能概述,纳米材料与常规晶体材料不同的结果：（1）纳米材料的弹性模量较常规晶体材料降低了30%-50%。（2）纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒（1um）金属的2-7倍。（3）纳米材料可具有负的Hall-Petch关系。（4）在较低的温度下，如室温附近脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米晶时，具有塑性或是超塑性。,（1）纳米材料的弹性模量,20世纪90年代后期的研究工作表明，纳米材料的弹性模量降低了30%-50%的结论是不能成立的。理由是，前期制备的样品具有高的孔隙度和低的密度及制样过程中所产生的缺陷，从而造成的弹性模量的不正常的降低。,Pd,Cu,弹性模量E是原子之间的结合力在宏观上的反映，取决于原子的种类及其结构，对组织的变化不敏感。纳米晶的弹性模量要受晶粒大小的影响，晶粒越细，所受的影响越大，E的下降越大。前期，关于Ag、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是材料的密度偏低引起的。,（2）纳米材料的强度,纳米Pd、Cu、Au等的拉伸试验表明，其屈服强度和断裂强度均高于同成分的粗晶金属。含碳为1.8的纳米Fe的断裂强度为6000MPa，远高于微米晶的500MPa。用超细粉末冷压合成制备的2550nmCu的屈服强度高达350MPa，而冷轧态的粗晶Cu的强度为260MPa，退火态的粗晶Cu仅为70MPa。,普通多晶材料的屈服强度（或硬度）随晶粒尺寸d的变化通常服从Hall-Petch关系，即s=0+kd-1/2其中，0为位错运动的摩擦阻力，k为一正的常数，d为平均晶粒尺寸。硬度表示，即为H=H0+kd-1/2对各种粗晶材料都是适用的。多数测量表明，纳米材料的强度在晶粒很小时远低于Hall-Petch公式的计算值。,线缺陷-位错(Dislocation),纳米Cu样品硬度(a)，屈服应力(b)和晶粒尺寸的关系：图中直线表明H-P关系；在晶粒尺寸大于10纳米时,屈服应力符合H-P关系.,三种铜材料的应力应变曲线：纳米孪晶铜的强度要比普通粗晶铜(100m)的强度高出十倍以上，比纳米晶铜(30nm)的也高很多。,孪晶(Twinning),纳米孪晶铜材料的平均晶粒尺寸为400nm左右，每个晶粒内存在着大量的孪晶，孪晶界之间的距离主要分布在15nm到20nm之间。,强度和孪晶密度之间的关系。,(3)纳米晶材料的强化机理,纳米材料的屈服强度远高于微米晶材料的屈服强度，目前还缺乏合理的解释。对于微米晶金属材料已有明确的强度机制:固溶强化位错强化细晶强化第二相强化,这些强化机制都是建立在位错理论基础上的。对于金属纳米材料，当晶粒尺寸大于临界尺寸时，位错能在晶界塞积产生强化；此时位错理论可用于纳米材料。Sun和Ma等采用分子动力学模拟计算出临界晶粒尺寸为15纳米；在20纳米1000纳米范围内，孪晶变形H-P关系的幂律指数为1。当晶粒尺寸小于临界尺寸时，出现软化现象，不宜应用Hall-Petch关系。,普通宏观晶体的孪晶导致的强化也满足Hall-Petch关系。描述孪晶变形的Hall-Petch幂律关系的斜率通常要要比位错滑移变形的大很多，也就是说，孪晶变形应表现出更强的尺度依赖性。,不同的孪晶和位错滑移斜率导致的H-P关系变化。,纳米孪晶Cu强度的尺寸效应：临界尺寸15纳米,纳米孪晶铜的拉伸应力应变曲线(应变速率为610-3s-1)：A当孪晶的宽度从96纳米减小到15纳米时，应力上升；B当孪晶的宽度从15纳米减小到4纳米时，应力下降，15纳米为临界孪晶宽度；ufg和cg分别表示纳米Cu和晶粒尺寸为10的粗晶Cu.,无缺陷Au纳米丝的拉伸：出现单原子链,直径为几个纳米的Au丝内无缺陷，在拉伸过程中出现单原子链，其强度不符合H-P关系.如果将原子链假设为一圆柱体，则可计算出分断Au原子链的正应力为17.4GPa,接近理论强度.,Au和Cu形成单原子链的分子动力学模拟：Au(上图)能形成稳定的单原子链，而Cu(下图)在形成一个原子接触后就断裂.Cu,Ag,Au,Ni,Pd,Pt等金属都能形成单原子接触.,(4)纳米材料的塑性,在拉应力作用下，与同成分的粗晶金属相比，纳米晶金属的塑、韧性大幅下降，即使是粗晶时显示良好塑性的fcc金属，在纳米晶条件下拉伸时塑性也很低，常呈现脆性断口。纳米Cu的拉伸延伸率仅为6，是同成分粗晶延伸率的20。测定的纳米晶Ag、Cu、Pd和Al合金的拉伸延伸率与晶粒大小的关系，图中括号内的数字表明年份。由图可知，在晶粒小于100nm的范围内，大多数延伸率小于5，并且随着晶粒的减小延伸率急剧降低，晶粒小于30nm的金属基本上是脆性断裂。这表明在拉应力状态下纳米金属表现出与粗晶金属完全不同的塑性行为。,纳米金属的晶粒尺寸与断裂应变的关系,表明多数纳米材料的延伸率不超过5%.,纳米金属的晶粒尺寸与断裂应变的关系.,应变速率对纳米Cu(平均晶粒尺寸为20纳米)的强度和塑性影响，表明应变速率越大，材料的强度和塑性越低.,纳米晶金属在张应力下塑性低的主要原因有：,纳米晶金属的屈服强度的大幅度提高使拉伸时的断裂应力小于屈服应力，因而在拉伸过程中试样来不及充分变形就产生断裂。纳米晶金属的密度低，内部含有较多的孔隙等缺陷，而纳米晶金属由于屈服强度高，因而在拉应力状态下对这些内部缺陷以及金属的表面状态特别敏感。纳米晶金属中的杂质元素含量较高，从而损伤了纳米金属的塑性。纳米晶金属在拉伸时缺乏可动的位错，不能释放裂纹尖端的应力。,Al的应力-应变曲线：CG,NS,NS+P分别为粗晶、纳米晶(100nm)和沉淀强化的纳米晶样品，样品厚度为1mm，表明沉淀强化的纳米晶样品具有高的强度和塑性.,铜的压缩和拉伸应力-应变曲线。压缩时基本上没有加工硬化。拉伸时在屈服应力处出现了颈缩，显示了较低的拉伸延展性。,（5）纳米晶材料的变形机制,纳米多晶材料的变形机制取决于晶粒的尺寸。当晶粒大于临界尺寸时，纳米材料的塑性变形行与于粗晶材料无本质的区别，建立在位错理论基础上。当纳米材料的晶粒小于临界尺寸时，晶粒内无法容纳位错，或只能容纳有限的位错时，位错成核和运动控制的变形将被晶界扩散、晶界滑动、晶界的转动及晶粒的合并取代；这种变形机制或模式称为晶界协调的变形（GrainBoundary-MediatedDeformation)。此外，孪生在纳米材料的变形中具有非常重要的作用。,1.晶界滑动,下图为晶界滑动的示意图，一层晶粒相对于另一层晶粒滑动，结果产生了一个剪切应变。由于上层晶粒相对于底层晶粒移动到了右边，因而发生了塑性变形。这就是晶界滑动，它是超塑性变形的主要机制。对于纳米晶材料，在晶粒尺寸小于50nm时，这个机制被认为是主导的变形机制。,晶粒边界滑动模型示意图。（a）晶粒起始位置；（b）上层已经滑移到右边的位置。,2.晶粒转动/晶粒合并,纳米晶粒在塑性变形过程中可能转动，并且能够沿着剪切方向合并，产生较大的位错运动通道，如图所示，在每一个晶粒中具有最高的Schmid因子的滑移系位向用短线表示。当塑性变形发生时，两个相邻的晶粒可能以某种方式旋转，使它们的位向向一起接近。这可能会导致晶粒边界存在障碍的消除，提供了更多的扩展位错通道。,塑性变形过程中相邻晶粒的旋转和晶粒边界湮灭形成的拉长了的晶粒。,3.孪生,据分子动力学模拟预测，在纳米晶铝金属的变形过程中有机械孪晶形成。下图为模拟照片，晶粒尺寸为45nm，塑性应变为0.12。浅色线条包围区域说明其中堆垛顺序已经被改变。涉及到晶粒边界塑性变形的几个过程如下：,1）孪晶片在晶粒边界的非均匀形核（如晶粒3中的1）2）在晶粒内部的孪晶片的均匀形核（如晶粒1中的2）3）孪晶片长大形成了一个新的晶粒（如晶粒A),纳米晶类铝固体的分子动力学模拟（d=45nm），0.12的塑性变形，浅黑色线条包围的区域中堆垛顺序发生了改变。,Al纳米晶中观察到了孪晶，下图显示了在较高的放大倍数下，经受了较大塑性变形铝的TEM照片。（a）图显示在纳米晶内部的面缺陷，（b）图可以看出这些缺陷