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1、纳米挛晶金属材料摘要：金属材料的高强度和良好的塑韧性是许多金属材料讨论者追求的目标，本文总结 了卢柯课题组金属材料中纳米挛晶对强度和塑韧性的影响，并阐明白李晶界面的作用以及机 械挛生对镁合金的影响。关键词：强度 塑韧性 事晶界面 机械事生1 .引言近一个多世纪以来,金属材料强度水平的不断提高推动着相关工业技术的进 步,也不断改善了我们的生活。轻质高强度铝合金的消失推动了飞机的诞生和进 展,钢缆强度的不断提升使斜拉桥的跨度成倍增加，汽车的减重和降耗很大程度 上依靠于高比强金属的进展和应用，强化金属材料是材料讨论者不懈努力追求的 目标,强度是材料科学与技术进展的一个重要标志，然而,在大多数状况下,
2、伴随 着强度上升,金属的塑性和韧性会下降,强度一塑性（或韧性）呈倒置关系。材料的 强度愈高这种倒置就愈显突出。随着现代工业技术的进展,越来越多的构件要求 材料既有高的强度又具有良好的塑性和韧性,高强度金属的低塑性和低韧性在肯 定程度上减弱了其工业应用的潜力,成为金属材料科学进展的瓶颈问题之一。过去,人们对材料强度一塑（韧）性关系及强韧化规律的讨论大多围绕相对简 洁的结构体系绽开,材料的组织、相、成分等在空间上分布匀称,特征结构单元尺 度单一且在微米以上。随着人们对自然界中许多自然 生物材料熟悉的不断深化, 发觉具有优异综合力学性能和强韧性协作的自然 生物材料往往具有比较简单 的结构要素特征,如
3、不匀称几何形态及空间分布、多尺度、多相、非匀称成分分 布、多层次藕合结构等。这些多层次多尺度的组织（或相）构筑为我们进展高强、 高韧、耐损伤金属材料供应了有借鉴价值的线索。近年来对纳米结构材料讨论的 长足进步和各类纳米技术的迅猛进展,使人们在纳米一微米一宏观等不同尺度上 对金属材料的结构设计与制备调控逐步成为可能,为金属材料强韧化讨论供应了 一个全新的契机。2 .挛晶促进强度和塑性的同时提高假如两个相邻晶体（或同一晶体的两个部分）之间沿一个公共晶面形成镜面 对称的位向关系,那么这两个晶体就互称为季晶,公共晶面即为李晶界面。一般说 来,挛晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到肯定程度的强化。但是,
4、微米或亚 微米尺度的挛晶，其强化效果并不显著，只有当挛晶片层细化至纳米量级时才开 头表现出显著的强化效果和其他的特性。纳米季晶结构能够显著提高材料的强度而不损失其塑性与韧性，在脉冲电解 沉积制备的纳米挛晶铜中，随挛晶片层厚度减小，材料屈服强度的增加趋势与纳 米晶体铜中强度随晶粒尺寸的变化趋势全都,均遵从Hall - Petch关系，当挛晶 片层厚度减至15nm时,材料强度达到极大值,随后强度渐渐下降,并消失软化现 象。然而,随挛晶厚度减小,纳米挛晶铜的拉伸塑性，断裂韧性和加工硬化力量均 单调增加,且表现出超高加工硬化力量这供应了一种使强度与塑性/韧性同步提 高的新途径,而传统的强化机理通常表现
5、为强度一塑性/韧性的倒置关系。纳米挛晶材料的高强度、高塑性和高加工硬化力量均源于位错与高密度李晶 界面的有效交互作用，塑性变形时,随挛晶片层减小,李晶内部可塞积位错数量削 减,位错穿过季晶界所需外力提高（强化材料），同时,位错与李晶界反应在李晶界 上形成大量位错（可动或不行动）并在李晶界上滑移、塞积、增殖,从而实现加工 硬化,协调塑性变形（韧化材料），有效提高其综合力学性能。纳米挛晶铜中极值强 度的消失是由于随李晶片层减小，塑性变形机制从位错/挛晶界相互作用主导转 变为由挛晶界处位错的形核和运动主导所致，这种纳米挛晶结构独特变形机理导 致的综合力学性能提高，在本质上有异于晶界强化。此外,常用的
6、强化方式往往在提高材料强度的同时会造成其导电性能明显下 降。然而,在纯铜中引人纳米尺度挛晶界后,其强度可提高一个数量级,但对导电 性的影响却很小，这种高强度高导电性的结合源于挛晶界的电阻比一般晶界的电 阻低近一个数量级,大量挛晶界的存在对电子的散射微小。同时,纳米挛晶结构还 能降低电致原子迁移速率,导致的原子沿晶界输运降低了一个数量级。挛晶是金属材料中的常见结构,但如何制备出高密度纳米尺度的挛晶结构却 并非易事。目前纳米尺度挛晶结构可通过电解沉积、磁控溅射沉积、塑性变形或 退火再结晶等制备技术在多种纯金属和合金中获得。如何进展纳米挛晶金属的制 备方法和工艺，以及如何将纳米挛晶强化技术应用于更广
7、泛的工程材料等方面依 旧面临挑战。3 .纳米挛晶促进强度和塑性的同时提高梯度材料是指材料的组成结构和性能在厚度或长度方向连续或准连续变化, 即材料的组成和结构从材料的某一方位以1维、2维或者3维向另一方位连续地 变化,使材料的性能和功能也呈现出梯度变化的一种新型材料。结构梯度材料经 常在自然界生物结构中看到,例如竹子、植物茎杆和动物骨骼,这些材料中最强的 结构往往位于承受应力最大的地方。材料科学家从自然界这些材料的结构特点获 得启发,开头有目的地设计梯度结构金属材料。与匀称结构相比,梯度结构材料能够更有效地抵挡材料的失效。采用纳米材 料强度高,在金属材料表层形成纳米尺度晶粒,并随距表面距离的增
8、加，晶粒尺寸 梯度增加，形成所谓的梯度纳米结构(GradientnanO grained, GNG)金属材料, 将明显提高整体材料的摩擦磨损、疲惫和腐蚀等性能,从而延长材料的使用寿命 或满意特别环境的使用要求。该重大项目通过自主进展的表面机械碾压处理(SMGT)技术,在多种纯金属及 工程材料中胜利制备出梯度纳米结构，自表及里晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至 微米尺度,材料芯部的晶粒尺寸为几十微米的粗晶结构，这种梯度纳米结构的厚 度可达数百微米。SMGT技术制备的梯度材料纳米晶与粗晶基体结构梯度的过渡, 有效避开了纳米材料与基体剥离的问题,从而为讨论纳米材料拉伸试验本征力学 性能供应了抱负材料。讨论
9、结果表明梯度纳米结构铜及不锈钢拉伸屈服强度都有 大幅度提高,而拉伸延长率并无明显下降。纳米梯度铜室温拉伸试验显示,具有梯 度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整,未消失裂纹,表明其拉 伸塑性变形力量优于粗晶铜。这种优异的塑性变形力量源于梯度纳米结构独特的 变形机制。微观结构讨论表明,梯度纳米结构铜在拉伸过程中,其主导变形机制为 机械驱动的晶界迁移,从而导致伴随的晶粒长大。梯度纳米结构铜及不锈钢表层 硬度明显增加,使材料摩擦磨损性能显著提高,并可抑制裂纹的萌生。梯度纳米材料不但推动了纳米金属材料本征力学性能的讨论和熟悉,也为纳 米金属材料的工业应用开拓了一条新途径。4 .挛生界面具
10、有优良的疲惫抗力据统计,机械设施的各种断裂事故中，大约80%是属于疲惫破坏,而这些疲惫 破坏主要起源于材料在交变载荷下，内部萌生裂纹和随后的扩展过程。大量讨论 表明，晶界是强化金属多晶体材料的重要界面，而它又是简洁萌生疲惫裂纹的有 利位置。因而,如何通过设计和掌握金属材料的界面,进而提高材料的强度乃至疲 惫强度是材料科学家始终以来的讨论重点。近年来,一种特别的晶界一“挛晶界 面”以其对材料强度和塑性的双重贡献进人了人们的视野。鉴于这种挛晶界面的 特别性,金属讨论所卢柯院士曾提出了共格李晶界面对金属材料的强韧化机制。 然而,对李晶界而在疲惫载荷下裂纹萌生气制的熟悉尚不清晰。选择具有不同层 错能的
11、纯铜与铜合金作为讨论对象,揭示了金属材料层错能大小和挛晶界面两侧 晶体取向关系对李晶界面疲惫裂纹萌生的影响。讨论结果发觉:挛晶界面相对于 一般晶界更难于萌生疲惫裂纹,而其萌生裂纹的难易程度主要受晶体取向（施密 特因子差）、层错能和滑移方式的影响。由于挛晶界面对位错既具有阻碍作用， 也可允许部分位错穿过,因此,随施密特因子差减小、层错能上升以及滑移方式的 转变,李晶界面会允许更多的位错穿过,从而明显提高疲惫裂纹萌生的阻力。通过 进一步比较几种不同晶界的疲惫开裂机制，进而确定了萌生裂纹的难易挨次为： 小角晶界 挛晶界面 大角晶界,这表明挛晶界面不但可以提高金属材料的强度和 塑性，同时也具有较高的抗
12、疲惫裂纹萌生阻力，这为金属材料的抗疲惫设计供应 了新的可能，即通过对金属材料合金化与挛晶界面设计，可以获得最佳的强韧性 与使役性能的匹配。5 .机械享生促进高性能镁合金的开发镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪性好、导热和导电性 好、抗动态冲击载荷力量强、资源丰富等优点,是目前工程应用中最轻的金属结 构材料,被誉为“用之不竭的轻质材料”“绿色的工程材料”，与钢、铝及工程塑 料等结构材料互补,为交通工具、电子通信、航空航天和国防军工等领域的材料 应用供应了重要选择。然而与钢、铝等立方结构金属相比,密排六方结构镁合金室温变形力量较差， 这是限制其大规模使用的瓶颈问题。为了协调材料的宏观
13、塑性变形,从微观上讲 金属通常需要启动肯定数量的位错滑移系,然而镁合金在室温下能启动的滑移系 主要只有基面滑移,其他滑移系（如柱面、C十a滑移）由于临界分切应力较大常 温下不易启动。除了位错滑移外,机械李生是镁合金的此外一种重要的变形机制。 镁合金中拉伸挛生由于其临界启动的剪切应力低,是镁合金常温下主要塑性变形 模式之一。拉伸学生可以倾转晶体取向，进一步影响位错滑移，可以分割晶粒， 对组织进行细化,从而起到阻碍位错滑移,提高材料加工硬化的效果。镁合金在塑 性加工过程中易形成轴平行于受力方向的基面织构,导致材料呈现剧烈的各向异 性,会显著降低板材沿厚度方向的变形力量，大量讨论表明,弱化基面织构可
14、以显 著提高镁合金塑性变形力量,常用的方法有添加稀土合金元素、等通道角挤压加 工和异步轧制等。稀土镁合金成本较高,难以大规模应用,等通道角挤压加工弱化 织构效果较好,但其加工效率低,加工成本高,异步轧制对基面织构弱化效果有限, 不能显著改善板材的加工变形力量。由于拉伸李生对镁合金变形行为有显著影响, 因此可以采用预变形诱导拉伸挛生来调控镁合金的织构和组织,进而转变其力学 行为和性能。镁合金在不同变形条件下（初始取向、温度、应变速及变形模式）的机械李生 行为与形成机理,重点探究了拉伸挛生对镁合金力学性能的影响规律。讨论发觉 通过引入拉伸李晶细化晶粒可以同时提高镁合金的强度和塑性，降低了镁合金的
15、拉压不对称性,并且首次提出通过侧轧诱导拉伸季生调控板材织构，从而大幅度 提高镁合金板材的单道次轧制力量。采纳商业AZ31镁合金板材进行中试,发觉采 纳侧轧新工艺的板材单道次轧制量可以提高一倍以上,大大提高了加工效率和成 材率,有望在镁合金工业得到广泛应用。6 .原子尺度下机械挛生的模拟强度和韧性是材料重要的力学特性,而传统的强化方法都以损失材料的韧性 为代价。因此,如何在不损失材料韧性的前提下,尽可能地提高材料的强度,成为 了人们关怀的问题。纳米李晶界是一种共格的晶风光缺陷一方面,它们与一般的 大角度晶界一样,可以有效地阻挡位错运动,在纳米挛晶界密度较高的状况下,可 以大幅度提高材料的强度。另
16、一方面，由于纳米季晶界的对称性,使得位错可以沿 着它运动,产生台阶。位错也可以在与纳米挛晶界反应后，穿越进人相邻的晶粒。 所以说纳米挛晶界具有很强的容纳位错的力量,这样就可以提高材料塑性变形的 力量,也就改善了材料的韧性。采用分子动力学方法,从纳米尺度上讨论了纳米挛晶界对纳米金属的断裂韧 性的影响。结果表明,纳米挛晶界密度越高,材料的断裂韧性越强。在主裂纹扩展 过程中,裂尖前方的纳米挛晶界汲取了大量的位错,使得裂尖不断钝化。此外,在 离主裂纹不远处还观看到子裂纹沿着挛晶界的扩展这一纳米尺度上的二级缺陷 增韧机制。这种机制有效地缓解了主裂纹尖端（一级缺陷）四周的应力集中，使得 裂纹扩展得以抑制。在纳米挛晶界密度较高的多晶试样中，观看到了裂纹偏折的 现象,裂纹扩展的路径不同于没有纳米挛晶界的多晶试样。详细地说，由于纳米挛 晶界具有多余的自由能，因此在纳米挛晶材料中，裂纹倾向于沿着或者切割纳米 李晶界在晶粒内部进行扩展,这样的扩展方式使得裂纹的路径呈现一种“之”字 形的外形，这
