孙军教授等人完成的论文发表在《自然》杂志上

来源:纳米氧化铝_广西新兴纳米科技研究公司 发布时间:2019-01-11 点击次数:

我的学者发现了金属孪晶变形的强烈晶体尺寸效应---孙军教授等人完成的论文发表在《自然》杂志上。
    
     最近,宾夕法尼亚大学金属材料国家重点实验室微纳米材料行为研究中心的研究生于谦与宾夕法尼亚大学教授李菊和丹麦赖斯国家实验室的黄晓旭博士合作,在孙俊教授的悉心指导下,习近平教授中心的奥林教授和单志伟教授,研究了微尺度金属单晶中的孪生变形行为和单晶尺寸对孪生变形行为的影响以及相应材料力学性能的显著变化,结果发表在2010年1月21日的《自然》杂志,审稿人对本次研究所做的大量开创性工作印象深刻,认为作者在材料力学尺度效应研究方面取得了重大进展。
    
     随着微电子元件和微电子机械系统的发展,材料形状特征尺寸的下限逐渐减小到亚微米甚至纳米尺度,这是材料塑性变形基本物理机制的空间范围,也就是说,在微纳米尺度材料中变形载体的特征尺度,如位错线和孪晶缺陷,开始与材料的外部几何尺寸顺序相同。例如,大块钛合金中变形孪晶的尺寸一般在0.1到10微米之间。当材料的几何尺寸不同尺寸的部件中使用的S与部件中的S相似关键条件和性能是否随尺寸变化等等,这些都是材料科学领域的前沿课题,也是设计工程师非常感兴趣的课题。
    
     因此,作为材料开发和应用的重要一步,如何准确测量和表征这些微器件在制备和使用过程中的力学性能已成为其高性能设计、制造和安全使用中的一个关键问题,也是材料发展的一个挑战。材料科学:以前对这一方向的研究主要集中在位错的滑动行为上。然而,微尺度材料中孪晶的形核和演化是材料另一种重要的塑性变形模式,目前还很少报道,另外,以位错变形为主的多晶金属材料具有一定的临界尺度,当材料的晶粒尺寸小于特征尺度时,材料中孪晶的形核和演化是材料的重要组成部分。描述材料力学行为的经典霍尔-佩奇幂律关系,即尺寸越小,强度越高,将不再适用。描述双变形的霍尔-佩奇幂律关系的斜率通常比位错滑动变形的斜率大得多,也就是说,双变形它应该表现出更强的规模依赖性。
    
     通过巧妙的实验设计,根据六方晶体结构中金属孪晶和位错滑移变形的特殊性,选择了钛-5%铝合金单晶中以孪晶变形为主导的塑性变形模式,研究了微柱压缩中的孪晶变形。在纳米压痕仪和相应的透射电镜原位定量变形表征技术下,材料在小尺度材料中的行为和机理研究表明,当表面几何尺度减小到微米尺度时,材料的塑性变形仍以双剪为主。标度,但材料塑性变形中的屈服强度和最大流动应力均显著提高,分别达到宏观值的近5倍和近8倍,具有较强的标度依赖性,所有PETCH的幂律指数均接近1(远高于Poly的0.5)。晶体状的)
    
     令人惊讶的是,当晶体的外部几何尺度进一步缩小到亚微米尺度时,材料的塑性变形模式发生了根本性的变化,由于材料尺寸的限制,孪晶变形被完全抑制,并被位错滑移变形所取代,其临界特征为Crys。这种转变的总尺寸约为1微米(远大于20纳米,相当于多晶纳米材料的最大强度)。当临界尺寸小于此值时,霍尔-佩奇幂律关系将不再适用,材料所能承受的最大流动应力呈现应力饱和状态。t接近所用材料的理想强度水平的形状现象。这意味着由于晶体缺陷而无法达到的原始散装材料的强度上限——理想强度已经被触及。更重要的是,这种转变的特征尺度在从微米到亚微米的转变范围内,也就是说,提出了一种类似于光物理中受激辐射效应的双变形诱导滑移模型,该模型适用于微型器件和微型机电系统等实际应用中材料的重要尺度范围。霍尔-佩奇幂律指数的理论值为1,与实验值吻合较好,因为只有约1%的位错可以作为极轴,晶体尺寸越小,利用螺旋位错的极轴形成孪晶就越难有效地耦合相邻的两个滑动面。ICH很好地解释了孪晶变形具有很强的晶体尺寸效应、尺寸越小、强度越高的内在原因。
    
     研究结果对系统地了解微尺度材料的力学行为具有重要意义,对微电子器件和微机电系统(MEMS)材料的表征、评价和设计具有重要的指导意义,特别是对微纳米材料的制备具有重要的指导意义。它们的强度有很强的晶体尺度效应。
    
     本研究是由国家自然科学基金、973项目和第一批国家外事局/教育部(111)共同资助的。
    
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