纳米孪晶金属塑性变形机制

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1、《纳米孪晶金属塑性变形机制》读后感通过对《纳米孪晶金属塑性变形机制》的学习，了解到纳米孪晶金属塑性变形的位错机制和强化原理，对纳米孪晶的力学性能、各向异性有了新的认识。论文主要研究了低能态共格孪晶界这一新型的强韧化效应，不同于晶界强化的是孪晶界附近可提供丰富的位错存储空间，因此有优异的综合力学性能。然后利用有关纳米孪晶金属力学行为和塑性变形机制，对fee孪晶金属的可动滑移系分析，研究纳米孪晶结构的3类典型位错机制、性能特点及特殊的塑性变形各向异性，调控微观变形机制而实现宏观力学性能设计。材料中纳米尺度孪晶界可以通过多种技术制备获

2、得，如利用电解沉积、磁控溅射沉积、塑性变形或退火再结晶等工艺均可在金属中产生纳米尺度孪晶。卢磊通过脉冲电沉积技术制备出含有高密度纳米孪晶的纯Cu样品，是一种有大量纳米到亚微米量级的生长孪晶的电解沉积铜。孪晶界是一种特殊的低能态共格晶界，孪晶界两侧的晶格呈镜面对称。同普通大角晶界相似，孪晶界可有效地阻碍位错运动，从而使材料强化。孪晶铜中大量的生长孪晶把晶粒分割成具有纳米尺度的孪晶基体的片层状结构，并且孪晶薄层的厚度越小材料的强度越高、延伸率越好。纳米孪晶金属有独特的塑性变形机制，在超细晶内生成纳米量级的孪晶片层形成纳米孪晶金属材料

3、，其不仅具有很高的屈服强度，同吋还保持较好的塑性。位错-孪晶界的交互作用决定纳米孪晶金属的宏观性能，而这本质上不同于多晶体材料中晶格位错以及位错-晶界之间的交互作用。塑性变形过程中共格孪晶界可有效阻碍位错，具有和普通晶界相似的强化作用。塑性变形由位错在12个等效的滑移系上滑动实现，其中缺陷的三维结构尺寸和界面特征是决定位错滑移的主要因素。当晶格位错滑移至晶界处会受到晶界的阻碍而形成应力集中,在外加应力下，局部应力集中随着位错的持续堆积而增大。当应力集中足够大时，新的位错从相邻晶粒内萌生，晶界处应力集中从而得以释放。然而，此过程中

4、并未改变整体晶界的结构和能量状态。由于晶界的无序结构，位错难以沿晶界滑移，因此晶界容纳位错的能力有限，晶界强化的同时导致其塑性降低。根据滑移系与孪晶片层的相对位向关系，用Thompson双四面体表示fee金属基体和孪晶的滑移系，纳米孪晶金属滑移系分为3种类型：硬模式I，此时滑移面和滑移方向均倾斜于孪晶界；硬模式II，此时滑移面倾斜于孪晶界，而滑移方向平行于孪晶界；软模式，此时滑移面和滑移方向均平行于孪晶界。晶体取向、孪晶界取向、受力状态以及位错滑移临界应力的相对大小决定滑移系属于硬模式还是软模式。通过分析不同晶体取向和受力状态的

5、Schmid因子就可以确定所对应的主滑移及其与孪晶界的位向关系，就能进一步确定位错滑移模式。以Cu为例研究纳米孪晶金属的塑性变形机制。纳米孪晶金属塑性变形机制有3种，位错塞积并穿过孪晶界机制、不全位错平行孪晶界滑移机制、贯穿位错受限滑移机制。孪晶界面可有效阻碍位错运动，孪品界面上领先位错引起的应力集中与外加切应力以及位错塞积的数量成正比。随孪晶片层厚度减小，孪晶N部可塞积位错数量逐渐减少，位错穿过孪晶界所需外加应力提高。当孪晶片层变薄以至于位错塞积无法实现时，将需要非常高的外加应力促使单个位错穿过孪晶界当孪晶片层厚度小至纳米尺寸

6、时，位错和孪晶的交互作用是实现材料强化的主要机制。塑性变形过程中，位错主要沿倾斜于孪晶界的｛111｝泔移面向孪晶界运动，但最终因孪晶界阻滞效应而在孪晶界附近塞积。随着变形的增加，塞积群的领先位错在应力集屮驱动下与孪晶界反应而穿过孪晶界进入下一个孪晶片层。当位错穿过孪晶界吋，根据入射位错的性质和类型不同，在孪品界上可能产生可滑移位错、固定位错或位错、相邻孪晶片层内的层错等。在外力作用下，当一个扩展螺位错与共格孪晶界相遇时，该位错可直接穿越孪晶界，在孪晶界上无任何残留Burgers矢量。而当一个非螺位错与孪晶界相遇则可分解为进入孪晶

7、的不全位错和留在孪晶界上的不全位错。如果穿越滑移不完全，孪晶界上也会暂时形成不可动的压杆位错，直到扩展位错后端的不全位错通过，孪晶界会吸纳其反应产物——不全位错，并且滑移造成孪晶界迁移。该过程可有效释放变形产生的应力集屮，使孪晶界容纳可观的塑性应变，而交互作用在孪晶界上产生的其它不可动位错、层错等则使孪晶的共格关系被逐步破坏。因此，孪品界不但可以阻碍位错运动，同吋乂可以吸纳位错从而承受较大塑性形变，这一点本质上不同于变形过程中传统大角晶界的作用。当平均孪晶片层厚度小于15nm吋，样品屈服强度反而随孪晶片层厚度减小而降低，而加工硬

8、化率和拉仲塑性始终随孪晶片层厚度减小而单调增加。当孪晶片层厚度小于某一临界尺寸，Shockley不全位错亦可能直接从孪晶界与晶界交接处形核，并倾向于沿孪晶面向晶粒内部运动。在这种情况下，位错晶界形核过程主导材料的强度和塑性变形。在＜111＞织构纳米孪晶中可以观察