纳米材料力学性能

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1、纳米材料力学性能块状纳米材料是指由纳米尺寸的晶体组成的多晶体材料,通常将尺寸小于100纳米的多晶体材料称为nanocrystallinematerials,(nc)而将晶体尺寸大于100nm,小于1m的多晶体材料成为submicrometermaterialsorultrafinegrainedmaterials(ufg),传统微米级晶粒尺寸的材料成为coarsegrainedmaterials.普通多晶体材料的塑性变形是由位错在晶体的滑移系(滑移面上的滑移方向)实现的.因此,多晶体材料的塑性变形力学行为是由位错运动行为决定或控制的.位错的尺度和位错的运动决定了材料的

2、力学因此通过限制位错运动提高强度或者通过易于位错运动改善材料的塑性微米级晶体材料的力学性能位错运动的摩擦力(P-N力，Peierls，Nabarro)P-N（派纳）力表明,位错的运动最易于发生在密排面和密排方向上,并由此构成滑移系,因为在此滑移系统上,.位错滑移的阻力最小.(Mott的解释)1，位错运动的摩擦力一般的位错源阻力写成:其中,L是位错源长度.由此可以看出,位错源开动的力与位错线长度成反比.2,位错源开动所需要的力(Frank-Read)力对于一个任意位错,更精确的表达是(J.P.Hirth,1982):对于一个刃型位错,此式可以写成(lian-Baudele

3、t-1993)其中是应力转换因子(从剪切应力转换成拉伸应力,通常取2-3.Fcc-3.06,Bcc2.78当多晶体塑性变形发生在多个滑移系,形成多滑移,产生位错交割,形成林位错(位错网格),其滑移所需的了可以有经典的位错密度公式表达:其中~0.3-0.5对于fcc.其中的0可以由P-N力表示.强度与位错密度直接相关，加工硬化的机理3,林位错运动阻力:单晶和多晶铜的实验结果当位错源开动,位错不断发出,但是,由于相邻晶体的取向不同,位错不能穿过晶界达到相邻晶粒,只能通过在晶界处塞积,引起应力集中,丛而激发相邻晶粒的位错源开动,形成多个晶体塑性变形.因此,多晶体晶界的存

4、在,成为位错运动的阻力.最著名的Hall-Petch式表达了位错强化作用:4,晶界强化流动应力和晶粒尺寸1/2成反比.若不考虑固溶强化和第二相质点强化,上述四个表达式可以基本描述多晶体金属的位错塑性力学行为.由此还可知道,加工硬化(通过增加位错密度,和细化晶粒强化是强化材料的主要手段.Hall-Petchrelationship1,位错密度强化(加工硬化,)2,细化晶粒强化3,固溶强化4,第二相质点强化当然还有其他如:孪晶强化,非晶态强化,等非位错模式强化加上固溶强化和第二相质点强化,我们共有四大强化手段来强化金属材料:即:纳米材料力学行为的几个主要特点:高的(屈服和

5、抗拉)强度.较低的塑性,韧性提高的(enhanced)应变速率敏感性纳米材料的塑性力学行为当材料的晶粒尺寸减小到几十纳米尺度时，H-P关系的斜率会变小，但仍然保持正值[77,78]。Takeuchi[79]总结了众多科研人员，包括Nieman[77]，Sander[20]，Choksi[80]和Fougere[81]的纳米Cu和纳米Pb的硬度与晶粒尺寸的关系，如图1.10所示。很明显的，对于纳米Cu，H-P关系的斜率随着晶粒尺寸的减小，逐渐的由正值，变到零(没有明显的尺寸依赖性)，然后到负值。不再遵守Hall-petch关系图1.10纳米Cu(a)和Pd(b)的Hall

6、-Petch关系图[79]。Fig.1.10Hall-Petchplotsofthehardnessof:(a)nanocrystallineCuand(b)nanocrystallinePd[79].图1.12纳米铜尺寸依赖的流变应力变化的分子动力学模拟结果[93]。Fig.1.12Thegrain-sizedependenceoftheflowstressofnanocrystallineCuobtainedbyMD[93].连建设在1993年采用单根位错线弯曲模型，提出了修正的H-P关系式，解释了纳米Cu和Pd的硬度与晶粒尺寸的关系。该模型首先假定纳米晶粒中只有单

7、根的位错存在，纳米材料的屈服应力直接与Frank-Read位错源的临界半圆的构型相关联。根据经典的位错理论[101]和一些合理的假设，得到屈服剪切应力和硬度H与晶粒尺寸d的关系式，分别表示为公式(1.2)和(1.3)：其中G是剪切模量，b是柏氏矢量，c和α为常数。理论模型中假设位错线长度。由此可以得出，当晶粒尺寸比较大时，位错线长度L与b的比值很大，公式(1.2)和(1.3)中的对数项趋于一个常数。但当晶粒尺寸减小到纳米尺度时，即位错线长度和晶粒直径尺寸相当的时候，公式中的对数项开始起作用。这个理论模型与众多实验相吻合[96]。2.4力学