纳米材料的力学性能

1、材料力学性能材料力学性能材料与机电学院材料与机电学院艾建平艾建平E-mail: 第第9 9章章 纳米材料的力学性能纳米材料的力学性能内容提纲内容提纲9.1 纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷9.2 纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述 霍尔霍尔-配奇关系配奇关系 弹性模量弹性模量 强度与韧性强度与韧性 超塑性超塑性19.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷2 纳米固体材料是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm的粒子凝聚而成的三维块体。纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加上它们之间的界面。图图1 纳米材料晶界纳米材料晶界图图2 石榴果内部形貌照片石榴果内部形貌照片9.1纳米材料的晶

2、界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷3晶粒组元晶粒组元晶界组元晶界组元非晶组元非晶组元界面组元界面组元准晶组元准晶组元界面组元界面组元颗粒组元界面组元颗粒组元界面组元 9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷4)(3df纳米材料晶界结构及特点纳米材料晶界结构及特点 纳米材料中晶界占有很大的体积分数，这是评定纳米材料的一个重要参数。 : 晶界的厚度，通常包括23个原子间距； ：晶粒的直径； ：晶界体积分数； 假设晶粒的平均尺寸为5nm，晶界的厚度为1nm，则由上式可计算出晶界所占的体积分数为50。df9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷5晶粒/nm晶界厚度/nm晶粒个数/222m3晶界体

3、积分数/20000.610.09200.61069.0100.60.810718.040.61.310842.620.610980.5晶界在常规粗晶材料中仅仅是一种面缺陷；晶界不仅仅是一种缺陷，更重要的是构成纳米材料的一个组元，即晶界组元（Grain Boundary Component）。已经成为纳米固体材料的基本构成之一，并且影响到纳米固体材料所表现出的特殊性能！ 晶粒直径与晶界体积分数关系晶粒直径与晶界体积分数关系9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷6图3 纳米Pd薄膜的高分辨透射电镜照片界面可变结构模型界面可变结构模型界面缺陷态模型界面缺陷态模型 其中心思想是界面包含大量缺陷

4、，其中三叉晶界对界面性质的影响起关键作用。图4 纳米材料晶界平面示意图9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷7 所谓三叉晶界，指三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域，也称旋错。图5 三叉晶界示意图计算表明: 当晶粒直径从100nm减小到2nm时，三叉晶界体积分数增加3个数量级，而晶界体积分数仅增加1个数量级。 三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数。这就意味着三叉晶界对纳米晶体材料的性能影响是非常大的 三叉晶界处的原子扩散更快，运动性更好9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷8 纳米材料的缺陷纳米材料的缺陷在常规晶体材料中，不可避免地存在缺陷。分别为：点缺陷（空

5、位、间隙原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、亚晶界）；纳米材料的缺陷密度比常规晶体材料大得多而纳米固体材料中，存在：F界面原子排列混乱；F界面原子配位不全；F纳米粉体压制成块体的过程中，晶格常数发生变化。9 纳米材料中，界面体积分数比常规多晶材料大得多，纳米材料中，界面体积分数比常规多晶材料大得多，这使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增多这使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增多空位主要存在于晶界上，是在纳米固体由颗粒压制成块体的过程中形成的。 空位团主要存在于三叉晶界上，其形成一部分归结为单个空位的扩散、聚集，另一部分是在压制块体时形成的。9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷10孔洞一般处

6、于晶界上孔洞一般处于晶界上，其主要源于，其主要源于 原硬团聚中原先存在孔洞，高温烧结无法消除硬团聚体，原硬团聚中原先存在孔洞，高温烧结无法消除硬团聚体，因此，孔洞就会被保留下来；因此，孔洞就会被保留下来； 纳米微粒表面易吸附气体，压制过程中形成气孔，一经纳米微粒表面易吸附气体，压制过程中形成气孔，一经烧结，气体逃逸，留下孔洞。烧结，气体逃逸，留下孔洞。 孔洞随退火温度的升高和退火时间的延长，会收缩，甚孔洞随退火温度的升高和退火时间的延长，会收缩，甚至会完全消失，可达到纳米材料的致密化。至会完全消失，可达到纳米材料的致密化。9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷 位错位错位错属于一种线缺

7、陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不规则排列为一个刃位错。刃位错附近的原子面会发生朝位错线方向的扭曲。 9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷11不同金属纳米晶粒位错稳定存在的特征长度不同，如不同金属纳米晶粒位错稳定存在的特征长度不同，如CuAlNiCuAlNi等等当金属晶粒的形态不同时，当金属晶粒的形态不同时， 特征长度特征长度也有所不同也有所不同9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷v位错稳定存在的特征长度位错稳定存在的特征长度12纳米材料中位错与晶粒大小

8、之间的关系Coch总结了在纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系，认为：1.当晶粒尺寸在50100nm之间，温度0.5 （熔点）时，位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小，位错的作用开始减小。2.当晶粒尺寸小于50nm时可认为基本上没有位错行为。3.当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。4.当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶粒的理论切应力。 对于位错在纳米材料中的行为需要从理论上和实验上进对于位错在纳米材料中的行为需要从理论上和实验上进行更深入的研究。行更深入的研究。9.1纳米材料的晶界与缺陷纳米材料的晶界与缺陷139.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概

9、述14 1996-1998年，Coch等人总结出四条纳米材料与常规晶粒材料不同的结果： 纳米材料的弹性模量较常规晶体材料降低了30%-50%。 纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒（1um）金属的2-7倍。 纳米材料可具有负的Hall-Petch关系。即随着晶粒尺寸减小，材料的强度降低。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。9.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述 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。159.2纳米材料的力学性能概

10、述纳米材料的力学性能概述纳米材料孔隙率和弹性模量的关系纳米材料孔隙率和弹性模量的关系孔隙率越大，孔隙率越大，弹性模量下降弹性模量下降越大越大169.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述纳米晶粒尺寸和弹性模量的关系纳米晶粒尺寸和弹性模量的关系Fe、Ni等纳米粉体压制的固体材料晶粒尺寸和弹性模量的关系，虚线/实线分别为晶界厚度0.5nm/1nm时的测量曲线。从图中可知，当晶粒小于20nm时，弹性模量下降到粗晶的95%，晶粒尺寸小于5nm时，弹性模量才明显下降。179.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述杂质对纳米晶金属的塑性的影响杂质对纳米晶金属的塑性的影响 控制杂质的含量;

11、减少孔隙度和缺陷、提高密度; 可以大幅度提高拉伸应力下纳米金属的塑性和韧性。实验表明全致密、无污染的纳米Cu拉伸率可达30%以上。189.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述突破现在工程材料的强度和韧性此消彼长的矛盾突破现在工程材料的强度和韧性此消彼长的矛盾! !199.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述 颈缩在颈缩在拉伸应力拉伸应力作用作用下，下，材料材料可能发生的可能发生的局部局部截面缩减的现象，颈截面缩减的现象，颈缩和断裂意味着材料失去力学效能。缩和断裂意味着材料失去力学效能。 一般说来，如果材料的延伸率超过一般说来，如果材料的延伸率超过100，就可称为，就可称为超塑性超塑性。凡具有。凡具有能超过能超过100延伸率的材料，则称之为延伸率的材料，则称之为超塑性材料超塑性材料。209.2纳米材料的力学性能概述纳米材料的力学性能概述ZnAlZnAl2222的拉伸变形（的拉伸变形（ 250250时延伸率时延伸率 ）%1083高温合金高温合金INCONEL718INCONEL718的超塑性成形航天器件的超塑性成形航天器件 21微米晶的超塑性变形是扩散控制的过程。应变速率：2() ()sDGb bAKTdE0exp()QDDRT 式中，式中，A A为常数；为常数；G G为切变模量；为切变模量；E