金属纳米材料力学性能的研究进展

第 卷 第 期 年 月 今 鸡 学 玻 城 , 金属纳米材料力学性能的研究进展 卢 柯 卢 磊 中国科学院金属研究所快速凝固非平衡合金国家重点实验室 , 沈阳 摘 要 金属纳米块体材料具有独特的力学性能 , 如高强度 、 超高延展性等 , 近年来得到了广泛深入的研究 在对其新进展进行 简要评述的基础上 , 讨论了它的强度 、 塑性 、 弹性模量 、 应变强化 、 超塑性 、 蠕变及变形机理等相关问题 关祖词 纳米材料 , 金属 , 力学性能 , 变形机理 中图法分类号 , 文献标识码 文章编号 公 一 五 入 , 云 , , 脚 , 。即。。 , 世 邵口几 忍本夕忍 娜 别 一 泞凡 二成 扭 乞 。 一 一 , 一 , , , , , , 又 丫 , , , 晶粒大小是影响传统金属多晶材料 晶粒尺寸在微米 以上量级 力学性能的重要因素 随晶粒减小 , 材料的强 度和硬度增大 但当晶粒小至纳米 一 ” 量级 时 , 它的力学性能如何 年代初 率先探索了 这一问题 , , 在随后的十余年中 , 纳米晶体材料 晶粒 尺寸通常小于 的力学性能 尤其是余属纳米材 料 成为学者们的研究热点 通过大量的实验测试 、 计算 模拟及理论分析 , 证明金属纳米材料具有非常独特的力学 性能及结构 一 性能关系 , 同时发现了一些新的现象和规 律 , 这些结果不但深化了对金属多晶材料变形机理和力学 性能的认识 , 而且对发展新材料和改善传统材料的性能具 有强力的推动作用 本文将结合近年来进行的实验测试 、 计算模拟及理论 分析结果着重评述金属纳米材料的力学性能 , 包括强度 、 塑性 、 弹性模量 、 应变强化效应 、 超塑性行为 、 蠕变及变 形机制等 至于疲劳性能 、 摩擦磨损性能及冲击韧性等方 面的实验研究报道很少 , 故本文不予涉及 金属材料的力学性能 强度 普通多晶材料的强度 或硬度 。 随晶粒尺寸 的变 化通常服从 一 关系 二 丙 一 合 国家 自然科学基金委员会 、 中国科学院及科技部资助项目 收到初稿 日期 一 杏 , 收到修改稿 日期 刁 一 作者简介 卢 柯 , 男 , 年生 , 博士 , 研究员 其中 , 内 为一强度常数 , 为一正常数 即随晶粒细 化 材料的强度 或硬度 按 一 贵关系线性增大 显然 , 按此理论推断纳米材料的强度应远高于普通多晶材料 但 是 , 纳米晶粒的尺寸已接近点阵中位错间的平衡距离 , 也 就是说晶粒内仅可容纳少量 甚至没有 位错 实验观察 已证实纳米材料中位错极少 那么 , 纳米材料的变形过程 是否仍由位错机制主导 经典的 一 关系是否适 用于纳米材料 早期测试一些纳米材料的硬度结果表明 , 随晶粒减 小 , 有些材料的硬度升高 , 如 等 ’, 有些 硬度降低 , 如 一 等 , 还有些硬度先升高再 降低 值由正变负 , 如 及 一 和 等 , 】, 部分结 金 属 果如图 和 所示 可以看出 , 对于同成分的单质或 合金纳米材料 , 不同作者给出的硬度结果不尽相同 这是 因为除了晶粒大小外 , 影响强度的因素还有 不同的 制备与处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 获得的材料中 , 应力状态和微观结构 如 界面结构 , 微观应变等 截然不同 , 即使晶粒尺寸相同 , 也可表现出不同的力学性能 样品的致密度是影响强 度的重要因素 , 致密度减小会导致材料强度显著下降 合金及化合物材料的相组成 、 成分分布及界面组态与 力学性能密切相关 在样品制备及处理过程中 , 为改变晶 粒尺寸而调整工艺参量 , 会引起相组成及其他微观结构参 量改变 纳米材料的强度对样品表面状态十分敏感 , 不同的处理条件引起的性能变化很大 除上述原因外 , 也有人从变形机制方面加以分析 等 认为 , 单质纳米材料的变形过程仍然由位 错运动主导 , 因而呈现出硬化效应 合金和化合物 学 报 卷 以 ’ 厂万万 叮 三滋 “ 「 一 二 声 ‘ 币 一 七 二 。 戒》 · ⋯ , 幽 , ︸卫 三一心犷一万 一‘刁 二斗落 , ‘ 左 , 图 纳米单质材料的室温硬度同晶粒尺寸的关系 ” , 习 , 一口 毛卜 叫日 二 石 一压 · 二合一 二 △二 。 一 一户 · ⋯⋯ 一户 禅。 、 、︸︸ 一 , · 旧 一减 · 旧 一‘一 旧 一 , · 旧 二 化 一 几 尼八理住 一州了一 图 合金纳米材料的室温硬度同晶粒尺寸的关系 【 刃习 一叮 纳米材料的位错运动受到抑制 , 从而不再主导变形过程 , 变形由晶界行为控制 , 因而呈现出软化效应 等 通过分析计算发现 , 临界位错间距因材料而异 , 所 以纳米材料表现出不同的硬化 软化 效应 功 等 人 卜, ’ 利用分子动力学计算模拟 , 发现在 。及 , 纳米 晶粒尺寸在 一 范围 屈服强度和流变 强度均表现出反常 一 关系 , 即 表明 “ 理 想 ” 纳米材料 无污染 、 全致密 、 完全驰豫态 、 细小均匀晶 粒 的性能可能与常规多晶材料完全不同 , 但是 “ 理想 ” 纳米材料实验上难以获得 因此纳米材料强度与晶粒尺寸 的内在联系有待于深入系统的实验研究和理论探索 过去几年中 , 金属纳米材料力学性能的实验测试主要 集中在用超细微粉冷压合成法制备的以纳米 为代表的 块状样品上 拉伸实验表明 , 纳米金属的屈服强度和 断裂强度均远高于同成分粗晶材料 例如纳米 晶粒尺 寸为 一 的屈服强度高达 , 而冷轧态 粗晶 的强度为 , 退火态粗晶 仅 而纳米样品的延伸率只有近 用纳米 , , 等样品也得到类似结果 应该指出 , 金属纳米材料的 拉伸实验结果受到样品的致密度 、 纯净度 、 拉伸样 品的尺寸 、 形状及表面处理 抛光 状态 ‘ 等因素的影 响 例如大多数实验结果是用微型样品 长度约 测得 , 存在着与常规宏观样品测试结果的可比性问题 还 有 , 制备方法及热历史将直接影响样品的微观结构及应力 状态 , 因此 , 用其它技术制备的纳米金属样品的拉伸性能 值得重视 最近对电解沉积技术制备的全致密纳米 块 状样品进行拉伸实验得到了不同的结果 纳米 , 和 样品的压缩实验表明 , , 其屈服强度高达 量级 , 断裂应变可达 , 说明纳米材料的压缩塑 性较大 塑性 材料的塑性是指它承受塑性变形而不断裂的能力 , 通 常用拉伸试样的长度 、 延伸率或截面积减小率来表征 多 晶材料塑性随晶粒减小而提高 将晶粒细化至纳米量级 , 通常几乎不能变形的陶瓷或金属间化合物将可能表现出 相当大的塑性 , 这种推断的理论基础是纳米材料 的特殊结构和变形机理为晶界扩散蠕变 晶界扩散蠕变变 形速率与晶粒尺寸的立方成反比 , 当晶粒减小至纳米量级 时 , 变形速率大幅度提高 然而 , 迄今为止实验结果表明绝大多数纳米材料的塑 性很小 例如 , 纳米 的 晶粒尺寸小于 延伸率 低于 , 比粗晶 小得多 而且塑性随晶粒的减小 而减少 见图 , 图中不同符号所示的纳米 样品摘自 不同文献 这种现象与样品中的缺陷密切相关 , 尤其是在 压制纳米粉粒时引入的空隙等缺陷会大幅度降低塑性 在 保持样品中缺陷状态不变时 , 同成分纳米材料的塑性随晶 期 卢 柯等 金属纳米材料力学性能的研究进展 粒的减小而增大 例如 , 用非晶完全晶化法制备的纳米 一 合金 , 当晶粒尺寸从 减小到 时 , 样 品的断裂应变提高 倍 全致密无污染 晶粒尺寸为 的延伸率高达 以上 , 与粗晶 相当 但 前者的强度是后者的 倍 这充分说明缺陷状态与杂质 是影响纳米材料塑性的一个主要因素 卜 口心曰 ⋯ 幽 态。 忿色 色 生竺二 ’ 盯夕 国 厂卜卜卜匕,刹 ‘。一理到。 , 图 · 纳米材料拉伸延伸率同晶粒尺寸的关系 的 值为 这说明纳米材料的应变强化效应很 弱 , 但仍存在一些位错行为 , 这可能与实际样品中存在较 大的晶粒有关 在压缩实验中 , 纳米 的应变强化效应 消失 , 而纳米 和 仍存在应变强化效应 可 见 , 由于纳米材料晶粒细小 、 位错行为对变形过程的贡献 减小 , 故表现出较小的应变强化效应 在特定的应力条件 下或对于理想纳米材料 , 应变强化效应可能消失 超塑性 材料在特定条件下可产生非常大的塑性变形而不断 裂的特性被称为超塑性 通常指在拉伸情况下 或超延展 性 轧制条件下 对于金属或陶瓷多晶材料 , 其产生条件 是高温 通常高于熔点的一半 和稳定的细晶组织 由于 超塑性和超延展性对材料的制备与加工 , 尤其是复杂形状 工件的加工具有重要价值 , 超塑性研究已成为当今一个十 分活跃的领域 , 其中降低超塑变形温度是一大难题 材料超塑变形基本上是晶界在高温下滑移造成的 根 据晶界滑移的理论模型 , 如 晶界扩散蠕变模型 , 其 形变速率 ‘ 可表述为 阵 ” 【 】 口 占 弹性模 弹性模量是反映材料内原 离 子键合强度的重要参 量 早期的实验结果显示纳米材料的弹性模量比多晶材 料低 一 , 后来查明是样品中微孔隙造成的 等 的实验结果表明 , 弹性模量随样品中的微 孔隙增多而线性下降 对纳米 , 和 等无微孔隙样品的测试结果显 示 俘 , 其弹性模量比普通多晶材料略小 , 并且随 晶粒减小 , 弹性模量降低 在分子动力学计算模拟中也得 到了同样的结论 这主要是因为其中有大量的晶界和 三叉晶界等缺陷 根据纳米材料弹性模量实验结果 , 推算出 其中晶界和三叉晶界的弹性模量约为多晶材料的 一 , 与同成分非晶态固体的弹性模量相当 【 这说明 晶界的原键合状态可能与非晶态原子的键合状态相近 应变强化 应变强化效应是指材料在塑性变形过程中强度升高 的现象 对于普通多晶材料 , 它源于运动位错的塞积 由 应力 。 一 应变 曲线可计算应变强化因子 次 。 斑 司 , 在一定程度上反映材料本质变形过程 用分子动力学模拟计算理想纳米 的 。 一 ‘ 曲线 显示 ’ , 应变强化效应几乎不存在 , 这与模拟计算得到 的变形过程中无位错行为相吻合 , 形变过程由晶界滑移主 导 超细微粉冷压合成纳米 晶粒尺寸为 的拉 伸实验表明 】, 其 值为 , 远低于普通粗晶 的 一 一 测得电解沉积纳米 晶粒尺寸为 其中 。 为拉伸应力 , 口 为原子体积 , 为平均晶粒尺 寸 , 为常数 , 为晶界扩散率 , 占为晶界厚度 , 为 常数 可见提高形变速率的有效途径是细 化晶粒 、 升高温度以及增大界面能 由于升高温度会导致 晶粒长大和其他组织变化 , 因此细化晶粒 、 阻止晶粒长大 是提高扩散蠕变速率的主要手段 , 也是大多数超塑材料的 晶粒必须细小的原因 若将晶粒尺寸从微米量级降至纳米 量级 , 形变速率会提高几个量级 , 则可在较低温度下实现 超塑变形 也就是说 , 应变速率恒定的条件下 , 减小晶粒 尺寸可降低超塑变形温度 当晶粒细化至纳米量级时 , 可 能获得室温超塑性 但是 , 迄今为止尚未获得纳米材料室温超塑性的实 例 , 其原因可能是在样品制备过程中引入的各种缺陷 , 如 微空隙、 界面弱连接 、 气体污染等 它们可能成为变形过程 中的裂纹源 因此 , 改进现有纳米材料的制备工艺和发展 新的制备技术将是实现纳米材料室温超塑性的突破 口 最近 , 等 哪 利用电解沉积技术制备出 全致密纳米 晶粒尺寸为 , 发现其拉伸超塑变形 温度仅 ℃ , 约为熔点的 , 远低于粗晶 的超塑 变形温度 他们还利用严重塑性变形法制备出高质量 合金和 纳米材料 , 发现其拉伸超塑变形温度大幅 度下降 利用电解沉积技术制备出晶粒尺寸为 的 全致密 块状样品 【 , 在室温轧制获得了高达 的延伸率 见图 且在超塑延伸过程中 , 样品中未表现 明显的加工硬化现象 见图 , 其中缺陷密度基本不变 , 期 卢 柯等 金属纳米材料力学性能的研究进展 基本力学性能 对纳米材料本征力性的进一步理解在很大 程度上取决于两大难题的解决 用于本征力学性能测试的“ 理想纳米材料 ”样品的 制备 只有获得全致密 、 无污染 、 完全驰豫态 、 三维大尺寸 块状纳米材料样品才有可能准确测量各力学性能参量 纳米晶体材料变形理论模型的建立 用于普通多 晶材料变形的传统位错理论显然不适用于纳米晶体材料 的变形过程 , 通过进一步理解纳米材料的微观结构特征和 力学性能 建立适用于纳米材料变形过程的模型及理论至 关重要 因此 , 对纳米材料力学性能的深入研究需要多学科交 叉集成 , 涉及到材料的制备科学 、 微观结构表征 、 性能测 试 、 理论及计算模拟等诸多方面 参考文献 【』 , , “ 卜 如。 爪 , 【 , ‘, 【』 尸阳 , 。 , , 卜。 ” 云 , 【』 , 亡 五了 亡 二 , 【』 , , , 叮 几 【』 , , , 二 忿 材。亡 几 【 , 、 七 , 二 , , 丫 匕 , , 五沙“ ￡召 夕, 【』 , , · 亡 , 【 」 罗 , “ 。 二 , 【 」 , 七 , 罗 二 , 【 」 , 亡。气 几 , 』 价 , , · 。二 , 【 』 价 , , , · ” , 【 」 , , 认飞 二 , 【 , , , · , 【 」 , , · 七 叽 【 』 , , 几 【 』 , , 刀口 。。 , 【 』 , , , · 仁 【 』 , , , 材几 , , , 亡 亡 , 【 」 , , , · , 【 』 , 材口 ‘ 。夕, 【 』 , , 」 , , , , 。 , , 」 , , ‘ , 【 」 , 认乞 , , 五了口 ‘ 召几夕, 【 」 , , , 二 , 〕 亡 , ‘ 。夕 即 , 』从 , , 气 』 , , , 七 , , 几 , 【 」 , 、 , 扭亡 ,如 饭, 【 」、, 八。 ””‘ ‘ ” , , 即 , 亡 , , , , 刀。“ 忿 ,