126 / 2021-04-09 09:19:07

纳米金属材料力学行为与晶界调控研究

纳米金属、晶界迁移、晶粒收缩、可逆变形、晶界结构

纳米金属材料广泛应用于医疗，电子，化学和机械领域，其内部存在的大量晶界(GBs)影响着材料的性能。其中，晶界的结构决定了晶界的能量，内聚力，可动性，扩散能力进一步控制材料的机械性能(如回火脆性，疲劳强度，腐蚀，再结晶，蠕变断裂寿命和超塑性等)。同时，由晶界运动控制的晶界变形以及晶粒长大、收缩对纳米金属的热稳定性和力学稳定性至关重要。所以，基于对晶界的力学行为研究有助于实现调控纳米材料性能。

块状金属中经常涉及复杂的微观结构，对与GB相关的塑性变形机制（包括晶界迁移和晶粒粗化）的理解仍存在争议。我们通过原位透射电子显微镜TEM纳米力学测试和原子模拟，研究了应力下面心立方(FCC)金属晶界的变形行为以及晶界自身结构及外界条件对其的影响。观察到小角晶界由位错排列成，这种GB位错通常分解为位于两侧晶粒的相关滑移面上的Shockley偏位错对并由层错带连接，位错阵列的集体运动主导晶界迁移。在可逆循环载荷下，晶界可以实现稳定往复迁移，且在返回初始位置时保持纳米线几何稳定。在一定范围内，对于多种低层错能FCC金属（金、银、镍、铜等）,当GB取向差在8-24°范围内变化时，应变率、长径比和温度的改变并不会影响晶界的可逆迁移行为。

大范围内稳定存在的这种能量支持的晶界迁移行为，有助于阐明纳米结构金属的晶粒细化和粗化机理。在具有嵌入纳米颗粒样品中，循环剪切加载下，实验和模拟均表明可以通过晶界的协同运动实现中心晶粒的收缩和湮灭。这一过程主要通过位错介导的晶界迁移以及进一步位错湮灭诱导的晶粒旋转和晶界合并实现。

这种晶界变形行为受到应力分布和晶界结构的重要影响，其中，晶界结构，包括晶界取向差和晶界平面倾角，对晶界的变形行为产生重要影响。典型的，对取向差为16°的小角晶界研究中，我们发现在不同的晶界平面倾角下，晶界具有不同的位错组态，改变了晶界的能量和可动性，使得非平直的晶界发生非均匀运动。通过几何分析，进一步建立了一个由晶界倾角控制的模型，并推导出了35°的临界值，以预测弯曲晶界的变形行为。

我们的研究发现增强了对晶界控制的力学行为以及对晶界介导的材料塑性的理解，丰富了我们对纳米金属在机械载荷下结构稳定性原子原理的理解，同时建立了协调变形和晶粒收缩之间的力学关系，揭示了纳米金属中普遍存在的变形现象，为控制纳米器件可逆变形及金属材料的结构设计提供了一种新的策略。