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《科学》:我国学者金属材料研究获新发现

作者:政治教育
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-29
作者:柳岩毕伟资料来源:科学时报发布日期:2009年

《科学》:中国学者对金属材料研究的新发现

这一发现是由中国科学院金属研究所(中国科学院金属研究所,柳岩毕伟报告)雷璐团队完成的

[最近,中国科学院金属研究所沈阳国家(联合)材料科学实验室研究员雷璐领导的研究团队, 与来自丹麦Risf国家实验室的研究员卢柯和黄小旭博士合作,利用相干孪晶界独特稳定的界面结构,获得具有超细特征尺寸的纳米结构金属,并发现减小孪晶层的厚度将增加材料的强度。 这一发现表明,当纯金属的特征尺寸减小到纳米级时,由于塑性变形机制的改变,会出现极限强度,同时表现出普通金属材料所不具备的超高加工硬化效果。2009年1月30日,美国杂志《科学》(科学)报道了这一结果。评论家认为,作者在利用纳米孪晶的性质强化材料方面有了重大发现,这不仅丰富和拓宽了人们对纳米材料塑性变形性质的理解,也为高性能纳米结构材料及其应用的进一步发展提供了重要线索。

普通多晶金属材料的强度通常随着晶粒尺寸的减小而增加。这种晶粒细化和强化是由于更多的晶界阻碍位错运动,这使得塑性变形变得困难。然而,当晶粒尺寸小至纳米级时,晶格位错运动将受到抑制,塑性变形的控制机制将从晶格位错运动逐渐转变为晶界行为,从而降低材料的强度。因此,理论分析和分子动力学模拟都预测,当金属材料的晶粒尺寸小到纳米量级时,其强度将达到最大,这将导致材料随着晶粒尺寸进一步减小而软化。然而,迄今为止,在纯金属的机械性能实验中还没有观察到这种极限强度。主要原因是很难制备具有超细晶粒尺寸(通常小于10纳米)的纳米材料:纯金属材料中的晶粒具有非常高的生长驱动力。一般来说,晶粒越小,生长的驱动力越大,晶粒在室温或更低的温度下容易生长。因此,如何制备具有超细特征尺寸的稳定纳米结构材料并探索其内在变形机制一直是纳米金属材料领域的一个主要问题。

雷璐和他的合作者已经通过使用脉冲沉积技术成功地将纯铜样品中双晶片层的平均厚度减小到大约4纳米,并且已经发现减小双晶片层厚度的材料的强度增加。当双层厚度为15纳米时,材料强度达到最大值。如果孪晶层进一步减少,强度将会降低,并且会发生软化。随着双晶片层的减少,样品的塑性和加工硬化能力单调增加。当双晶片层小于10纳米时,其加工硬化系数超过粗纯铜的加工硬化系数,即铜和铜合金的加工硬化系数的上限,表现出超高的加工硬化能力。分析表明,随着孪晶层尺寸的减小,纳米孪晶铜中出现极端强度是由于塑性变形机制从位错孪晶边界之间的主导相互作用转变为孪晶层结构中原有位错的主导运动。超高加工硬化效应源于纳米双晶片层中大量的双晶界能够有效吸收高密度位错,位错密度比普通多晶中饱和位错高1-2个数量级。

在塑性变形过程中,相干孪晶界能有效阻挡位错,并具有与普通晶界相似的强化效果。同时,相干孪晶界也可以作为位错滑移面来吸收大量位错。与普通晶界相比,孪晶界结构更加稳定,其过剩能量仅为普通晶界的十分之一。因此,纳米孪晶结构在能量上比具有相同化学成分的纳米晶体结构稳定得多。这种稳定的超细纳米孪晶结构的获得不仅是对传统材料制备技术的突破,也为进一步研究金属材料力学行为的纳米尺寸效应提供了可能。

《科学时报》 (2009-2-2 A1亮点)

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