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 科普文章
纳米结构材料力学行为尺度效应的微观机理研究

  编者按:力学研究所的三位研究员武晓雷、魏悦广、洪友士自1999年起,承担了国家自然科学基金委九五重大研究项目《材料的宏微观力学与强韧化设计》;在2007年,他们的研究团队又组成了国家自然科学基金委创新研究群体, 从事“材料强度及灾变的跨尺度力学研究”。历经十数年坚持不懈的研究,相关的工作成果《纳米结构材料力学行为尺度效应的微观机理研究》获得了2013年度国家自然科学二等奖。本刊在此对这项获奖成果做一个简要的介绍。

  纳米结构材料力学行为尺度效应的微观机理研究

  这项获奖成果属于固体力学的新型材料力学行为研究领域,它是针对纳米结构材料而开展研究的。要了解纳米结构材料,我们先得知道什么是“纳米”?纳米(nm)是尺寸或大小的度量单位,是1米的十亿分之一,相当于四倍的原子大小、万分之一的头发粗细。纳米材料便是指至少有一个尺度不超过100纳米的物体,相当于几十个原子聚集在一起。纳米结构的基本单元有:原子团簇、纳米微粒(人们称之为“零维”单元), 纳米管、纳米棒、纳米丝(人们称之为“一维”单元),纳米带、超薄膜、多层膜(人们称之为“二维”单元)。它们可以按照应用的要求制作成块体、薄膜、多层膜等不同形式。目前,人们已经采用金属、非金属、半导体、陶瓷、聚合物、复合材料等各种物质生成了纳米结构材料。

  纳米结构材料作为一种新型材料,具有精细设计的微观结构,而且在受力变形时还会派生出新的微观结构并通过其演化交互作用表现出优异的宏观力学性能,例如材料的强度和韧性都远远高于传统材料。人们不仅要问:为什么材料的尺度显著变小其力学行为就会显著改进?为了回答这个问题,就要研究纳米结构材料力学行为尺度效应的微观机理,从根本上揭示出其高强高韧等宏观力学行为的物理本质,这无论在科学上还是应用上都具有重要的意义。基于这种思考,武晓雷、魏悦广、洪友士和他们课题组针对纳米晶、纳米孪晶以及结构纳米线等材料,从精细的静、动态加载实验观测和分子动力学(MD)模拟研究出发,揭示出纳米结构材料的微结构形成、演化和交互作用等系列新规律以及它们对材料宏观强韧性能的影响机制。他们所取得的一系列具有原创性和引领性的成果,得到了国内外同行的广泛承认和高度评价。

  武晓雷等人的工作主要是针对金属材料进行的。众所周知,金属是一种晶体材料,其中的原子按照一定的周期性在空间排列,呈现出规则的几何形状。为了描述晶体的结构,科学家把构成晶体的原子当成一个质点,再用假想的线段将这些代表原子的各个质点连接起来,就形成一个格架式空间结构。科学家把这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架,称为“晶格”。由于晶体中原子的排列是有规律的,可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元,这个最小单元就叫作“晶胞”。许多取向相同的晶胞组成了所谓的“晶粒”。由取向不同的晶粒组成的物体,叫做“多晶体”,而“单晶体”内所有的晶胞则是取向完全一致的。绝大多数金属材料是所谓的多晶体。在整块金属材料内部,每个晶粒都由三维的空间界面与其近邻的晶粒隔开,这种界面称“晶粒间界”(简称“晶界”),晶界厚度约为两三个原子。晶粒尺寸在纳米量级的晶体,统称为“纳米晶”(NC)。作为对比,传统金属中的晶粒则称作“粗晶”。武晓雷课题组通过对多晶铝和钴进行表面纳米化处理并对纳米化以后的铝和钴进行精细拉伸实验,首次观测出孪晶和偏位错沿晶界的形成过程及其与晶界的交互作用机制,阐明了这类材料的总体增强和增韧机理。他们又通过准静态拉伸和冷轧实验的静、动态比对观测证实了纳米晶镍存在起源于晶界的孪晶和偏位错,得出孪晶及偏位错机制起源于晶界的结论。他们还对纳米晶镍也开展了拉伸、冲击和冷轧等静、动态力学性能的比对实验,发现了晶粒发生孪晶变形的反尺寸效应,以及偏位错与孪晶界交互作用而的形成的洛莫-柯垂尔锁。这些成果对于系统地掌握纳米结构材料的尺度效应规律、建立跨尺度力学理论提供了实验基础。此外,他们针对纳米晶、纳米孪晶以及结构纳米线的力学行为等现象,开展了系统的分子动力学模拟研究,获得了均匀拉伸下的五重孪晶的生成机制并建立了孪晶和偏位错生成及演化引起材料总体强化的力学机制。显然,这篇短文不可能详细涉及这项成果的所有细节,这里仅仅通过两个例子来展示其中的一二,感兴趣的读者可阅读获奖者的相关的研究论文,如:Wu XL et al., Acta Mater., 2002:50, 2075;Wu XL et al., Scr Mater., 2006:54,1685;Cao & Wei,Appl Phys Lett,2006:89,041919;Cao & Wei., Phys Rev B,2008:77,195429 ;等等。

  图1是武晓雷研究小组对纳米晶镍体系(NC Ni)实施拉伸变形实验时由透射电镜获得的高分辨图像,可以看到其中形成了点阵位错(亦称“全位错”,见中上方六对白色细实线所指示的部位)、不全位错(亦称“偏位错”,见左下方三条红色细实线所指示的部位)、洛莫-柯垂尔不可动位错(亦称“洛莫-柯垂尔锁”,见中下方五个小红点所形成的部位)以及变形孪晶(见右下方蓝色细实线所指示的部位,其中matrix为“基体”,twin为“挛晶”,TB为“挛晶界面”)。力学和材料科学的知识告诉我们,“位错”是晶体材料内部的一种“线缺陷”,晶格中的原子行列之间发生了相互滑移,偏离正常原子位置的畸变中心可以连成一条线(它构成了晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线)。依据原子滑移偏离的距离是正常相邻原子间距的整数倍或非整数倍,科学家把位错区分为“全位错”和“偏位错”。位错滑移导致了晶体的塑性变形。“孪生”也是一种基本的塑性变形方式,它是晶体受到外加切应力作用时沿一定的晶面(人们称之“孪晶界面”)和晶向(人们称之为“孪生方向”)在一个区域上产生连续的均匀切变的过程。均匀的切变区和未形变的基体以孪晶界面为对称面成镜面对称关系,它们合在一起构成一个“孪晶”。常规的多晶体 (晶粒尺度在50-100 微米范围)在室温、准静态条件下的塑性变形行为是位错滑移;它们在低温或高应变速率或复杂应力状态 (如裂纹尖端) 等情况下,便有可能发生孪晶变形。然而,它们的纳米晶体(晶粒尺度范围为12-100纳米)在常规条件下却可以发生孪生变形。武晓雷课题组通过高分辨透射电镜的实验观察证实了这点,而且发现由于偏位错与孪晶界的交互作用,可以形成洛莫-柯垂尔锁。这种位错锁结构具有强烈的钉扎效应,可以使高密度位错存储在晶粒内部,从而导致了显著的应变硬化效应,使材料的强度和冷轧延性都有所提高。这个研究为深入揭示纳米晶材料力学性能的反Hall-Petch行为和加工硬化的微观机理提供了有力证据。

图1 纳米晶镍拉伸变形的高分辨透射电镜照片

  图2则是魏悦广研究小组采用分子动力学模拟方法研究纳米结构材料的力学行的一个实例:在纳米铜(NC Cu)中获得了变形五重孪晶。他们的模拟计算表明,从晶界不断发射的偏位错(图中b2,b3,b4表示偏位错)导致了顺序的孪晶,并最终形成五重孪晶。他们还解释了五重孪晶结构的纳米线比单晶结构的纳米线所以具有高的强度和低的延性,是因为孪晶界的出现阻碍了偏位错运动、引起内部应力集中。这样就通过MD模拟的纳米铜内部结构演化过程,揭示了孪晶增强的微观物理机制。

图2 五重孪晶形成的分子动力学模拟结果

  应当说,《纳米结构材料力学行为尺度效应的微观机理研究》项目是力学所从微观机制上探索新型材料力学性能的一个成果。钱学森先生在1962年出版的《物理力学讲义》中写道:“…连基本概念也还不十分清楚的问题, 例如固体强度和塑性变形就是如此,直到现在也还没有较全面的微观理论,没有工程技术上可用的肯定结果,… ”,这是力学大师对我们力学工作者提出的期望。武晓雷等人的工作就是在这个方向上做出的一个努力。

  (王柏懿撰文)