纳米材料的变形机制

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1、纳米晶体独特的结构特征，使其表现出一系列与普通多晶材料、非晶材料有本质差别的性能。因此，对其结构的研究，不仅可深化和拓宽对已有晶体缺陷理论的认识，且有助于理解纳米晶体材料不同于传统粗晶、非晶材料的特殊性能。纳米晶体材料的缺陷众所周知，缺陷对于研究材料的变形有着重要的作用。实际晶体存在结构缺陷，缺陷处的原子结构不同于理想晶体结构者。纳米材料就其结构特征来说，平移周期遭到了很大的破坏，它偏离理想晶格的区域很大，这是因为纳米材料的界面原子排列比较混乱，其体积百分数比常规多晶材料大得多，即使纳米材料之晶粒组元的结构基本与常规晶体相似，但由于尺寸很小，大的表面

2、张力使晶格常数减小，故纳米材料实际上是缺陷密度较高的一种材料。但是，纳米材料的缺陷种类、缺陷行为和组态、缺陷运动规律是否与常规晶态的一样?对于常规晶体建立起来的缺陷理论对描述纳米材料是否还适用纳米材料中是否存在常规晶体中从未观察到的新缺陷?哪一种缺陷对材料的力学性质起主导作用?诸多此类问题至今尚未得出明确结论，是亟待进行理论研究与实验探索的重要课题。纳米晶体材料的变形研究（1）变形机制一些观点认为：纳米材料中存在大量的点缺陷，如果说把界面看作是纳米材料的基本构成而不是一种缺陷的话，那么纳米材料中点缺陷很可能就是最主要的基本缺陷。此观点的基础是，从理论

3、上分析，纳米材料中很可能是无位错的(ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｆｒｅｅ)，有时位错增殖的临界切应力τｃ与Ｆｒａｎｋ-Ｒｅａｄ源的尺度成反比。一般来说，Ｆ-Ｒ源的尺度远小于晶粒尺寸，而纳米材料中，晶粒尺寸十分小，如果在纳米微粒中存在Ｆ-Ｒ源的话，其尺寸就会更小。这样开动Ｆ-Ｒ源的临界切应力就非常大，粗略估计比常规晶体大几个数量级。这样大的临界切应力一般很难达到，因此位错增殖在纳米晶内不会发生，所以在纳米晶体中很可能没有位错，即使有位错，位错密度也是很小的。Ｍ.Ｋｉｒｉｔａｎｉ认为，纳米晶体材料的塑性变形过程不是位错的移动。发生新的变形机制的一般要求是，存在

4、接近于极限应力的极高的内部压力。发现空位或者空位团(ｖａｃａｎｃｙｃｌｕｓｔｅｒｓ)的大小、浓度都对金属薄膜的变形有一定的影响。使用嵌入原子法(ＥＡＭ)研究包含高浓度空位的Ａｕ的塑性变形，同时计算晶体的电镜图像发现，随机分配的空位或者空位团并不能引起晶格点阵的大的变形，除非空位或空位团的浓度超过一定的百分比。ＦｒａｎｃｉｓｃｏＥｉｉｃｈｉＦｕｊｉｔａ的研究也证明，在纳米金属晶体的高速塑性变形中有一定数量的空位或者空位团，而没有位错运动的迹象。传统粗晶材料的塑性变形是由起源于晶粒的位错引起的，变形导致残余位错积累。Ｂｕｄｒｏｖｉｃ等研究了电积纳米镍变形

5、过程中的ｘ衍射峰宽变化，发现在变形后卸载时衍射峰宽变化是可逆的，但是变形的过程中没有建立残余位错网络，从而预示变形过程并未造成残余位错堆积以及加工硬化过程。另一类观点是：除了存在点缺陷外，纳米晶体在靠近界面的晶粒内存在位错，但位错的组态、位错运动行为都与常规晶体不同，例如没有位错塞积、由于位错密度低而没有位错胞和位错团、位错运动自由程很短、与晶界的交互作用等。Ｇｒｙａｚｎｏｖ等人从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内位错组态的影响，对多种金属纳米晶体的位错组态发生突变的临界尺寸进行了计算。其主要观点是，与纳米晶体的其它性能一样，当晶粒尺寸减小到某

6、个特征尺度时，性能就会发生突变。例如，当晶粒尺寸与德布罗义波长或者电子平均自由程相近时，由于量子尺寸效应，使许多物理性质发生了变化。当粒径小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，当粒径大于此临界尺寸时，位错稳定地处于晶粒中。对于单个小晶粒，他们把位错稳定的临界尺寸标定为特征长度Ｌｐ。Ｌｐ=Ｇｂσｐ(Ｇ是剪切模量，ｂ是伯格斯矢量，为点阵摩擦力)。同一种材料，粒子的形状不同，位错稳定的特征长度也不同。Ｋｕｍａｒ等人通过透射电子显微镜观察拉伸变形时，发现在金属镍纳米晶体中，位错在塑性变形中起主要的作用。晶界发射位错和晶内滑移以及不协调晶界之间的滑动

7、，将促进晶界处和三叉晶界晶粒之间空隙的形成。Ｇｕｔｋｉｎ等人认为，纳米金属晶体的变形机制在于晶界滑移和扭转变形的共同作用。在他们的模型中，滑移晶界位错在三叉晶界分解成沿相邻晶界攀移的位错。这个过程重复进行，导致晶界位错墙的攀移，并伴随着纳米金属晶粒中晶格点阵的旋转传递随之扭转变形。ＦｒｏｅｔｈＡ等对纳米晶Ａ1的研究表明，在孪晶和位错、位错和晶界等的相互作用下形成了层错(ｓｔａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔ)。同时，用分子动力学模拟展现了位错-位错和位错-孪晶反应导致复杂的孪晶网络的形成，以及孪晶间界通过梯状位错连接的结构。2000年，中国科学院金属所卢柯研究小

8、组在实验中发现，将晶粒为纳米尺度的铜在室温下反复冷轧，延伸率达到了5100%以上，没有出现硬化现象。这一发现