快捷搜索:

材料力学行为尺度效应研究进展

  材料力学尺度效应的研究进展

  近日在西安交通大学金属材料强度国家重点实验室研究生余倩的指导下,孙军,小琳,研究中心教授马恩,山志伟,宾夕法尼亚大学教授,丹麦里斯国家实验室黄晓旭博士对微尺度单晶金属材料的孪晶变形行为及其对材料力学性能的影响进行了深入的研究,发现单晶尺寸Twins变形行为的强烈影响,以及相应的材料力学性质发生了显着的变化,结果发表在1月21日的“自然”杂志上,评论员们对此印象非常深刻本研究所做的开创性的工作,认为作者在材料力学的尺度效应研究方面取得了重大进展。在微电子元件和微机电系统(MEMS)等技术中,用于形成特征的材料尺寸的下限也逐渐减小到亚微米乃至纳米尺度,这是材料可塑性的基本空间范畴物理机制的变形发挥。也就是说,在微尺度材料中,材料变形载体的特征尺度,如位错线和孪晶缺陷的特征尺度和工作空间,从材料的外部几何尺寸开始类似数量级。如体积钛变形的孪生尺寸一般在0.1至10微米之间。在材料科学领域目前的前沿,当具有不同尺寸的微型部件的材料的几何尺寸相似,以及它们的临界条件和性能是否会随着尺寸的变化而变化时,仍然会出现双胞胎问题和问题对设计工程师非常感兴趣。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小器件在制备和使用过程中的力学性能,已成为高性能设计,制备和安全使用的关键问题。在材料科学发展中必须面对的挑战。以前,这方面的研究主要集中在位错的滑移行为上。然而,微观材料中还没有报道过作为材料的另一个重要塑性变形模式的双胞胎的成核和演变。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寸时,描述材料力学行为的经典“Hall-Petch”幂律关系即“尺寸越小,强度越高”不再适用。描述双变形的“Hall-Petch”幂律关系的斜率通常远大于位错滑移变形,即双变形应该表现出较强的尺度依赖性。通过巧妙的实验设计,基于金属双晶六方晶体结构的特异性和位错滑移变形,钛-5%铝合金单晶的变形主要受双变形的影响。微米材料双晶变形的取向和机制分别为通过使用纳米压痕仪微柱压缩和相应的TEM定量原位变形表征技术详细研究。结果表明,当几何尺寸减小到微米级时,材料的塑性变形仍然以孪晶为主,与宏观体材料相同。然而,材料的屈服强度及其最大塑性变形流动应力分别显着增加,达到其近5倍和近8倍的宏观值,表现出较强的尺度依赖性。其实验测定“霍尔 - 佩奇”幂律指数接近1,远高于多晶0.5。令人惊讶的是,当晶体的外部几何尺寸进一步减小到亚微米尺度时,材料的塑性变形已经发生了根本性的变化。孪生变形由于材料尺寸限制而被完全抑制,并且由位错滑移变形取代。这一过渡的关键特征是晶体尺寸约为1微米(远大于20纳米,相当于多晶纳米材料强度的极限)。低于此临界尺寸,“Hall-Petch”幂定律不再有效,材料所能承受的最大流动应力也呈现出“应力饱和”平台,接近所用材料的理想强度。这意味着由于存在晶体缺陷而无法实现的原始大块材料的“天花板”强度已达到理想的强度。更重要的是,这种转变的特征尺度在微米至亚微米范围内,这是用于微型器件和MEMS等实际应用的小尺寸材料的重要材料范围。在本文中,我们提出了一个类似于光“受激发射”效应的“双滑移”模型,并得到了“Hall-Petch”幂律指数为1的理论值,实验数据。而且由于只有大约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作用就越难将两个相邻的滑移面有效地耦合在一起形成孪晶。完美的解释的双胞胎变形具有较强的晶体尺寸效应和“尺寸较小,强度较高”的根本原因。本研究的结果对系统地了解微米级材料的力学行为起着重要的作用。评估和设计微电子元件和微机电系统所用材料的性能表征,特别是利用其强大的晶体尺度效应进行微纳加工,具有重要的意义。据悉,这项研究是由国家自然科学基金和“973”项目共同资助的,也是国家外经贸部/国家外管局第一批纪律创新引进项目(“111项目”)。教育。 (

您可能还会对下面的文章感兴趣: