金属材料论文

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1、1引言。目前已的纳米晶材料的力学性能数据较分散,使得关于纳米晶材料力学性能的试验研究结果存在许多争论。作者着重评述了金属纳米晶材料力学性能的研究进展，包括强度、塑性、弹性模量、超塑性行为、蠕变、疲劳及变形机制等纳米晶材料由于具冇一系列优异的性能，0问世以來引起人们广泛的兴趣和关注。在纳米品材料的研究中其力学性能一直是研究热点之一，人们希望了解纳米晶材料的力学性能以及品粒尺寸对其性能的影响，以开发性能更佳的纳米晶材料［1］。当晶粒或颗粒尺、r进入纳米尺度后，孕位体积材料的表面或界面面积大幅增加，表面与界面的特

2、性对材料性能会产生軍要影响，在晶界处少量的杂质对材料的强度和扩散育明显的影响。特别是气相沉积和机械合金化制备的纳米结构材料(NSMs)，在晶界处成分的明显差异可导致在力学性能存在很大的差异［2］2纳米晶材料的力学性能2.1强度对于普通金属材料，其强度与晶粒尺寸的平方根成反比，即满足人们熟知的Hal-lPetch关系。因此，常常用细化晶粒的方法来提高材料的强度。但当晶粒减小至纳米尺寸吋，Hal-lPetch关系是否仍然成立是人们非常关心的问题。已宥的研究结粜表明，当品粒尺、降低至纳米尺度时，材料的强度比同成分

3、大晶粒材料的强度高很多。例如纳米品体铝(平均晶粒尺寸约为53nm)的屈服强度和抗拉强度分别为同质飢晶的12~16倍和5~6倍(飢晶铝：0.2=15~20MPa,b=5(f70MPa)［3］。试验表明当纳米晶材料的晶粒尺寸大于某个临界值,纳米晶材料都符合Hal-lPetch关系。对于很多纳米晶材料这个临界值约为20nm［2,4］。当晶粒尺寸小于20nm时，不同材料的Hal-lPetch曲线随晶粒减小呈现出不同的变化趋势，一些纳米晶材料仍为正的Hal-lPetch关系，即K〉0;而另外一些纳米晶材料则为反Hal

4、-lPetch关系，即K〈0［5］,这表明变形机制发生了转变，此吋随晶粒尺寸继续减小，材料强度降低。Wang［6］等在无空隙纳米晶镍中所得到的结论表明存在反Hal-lPetch关系。对于理论致密度为96%的TiAl,当晶粒尺寸小于30nm时，在室温和-30下也观察到反Hal-lPetch关系。在一系列的试验中，没有证据表明存在位错运动和致密度改变。对Sn02、金属间化合物(Fe-TiN,N-iTiN),在室温下也存在反Hal-lPetch关系［7］。另外纳米晶材料的纯度对性能的影响非常人，但其影响机制0前还

5、不清楚［2］。纳米晶金属材料的硬度也明显高于同成分粗晶材料的硬度(通常约大5倍)。由于制备方法的不完善，使纳米晶材料常存在一些充气的空隙、裂纹、三维空间晶粒尺寸的不均匀分布等缺陷。试样甚至是微小试样的拉伸应力与压缩应力也常存在明显差异，这表明裂纹使纳米晶材料的强度大幅降低。纳米晶材料的强度、硬度随压制材料致密度的提高大致成线性提高［7］。2.2塑性在普通金屈材料屮，当晶粒尺寸减小时，不仅材料的强度会提高，而且塑性也提高。但是已有的试验结果表明,纳米晶材料的塑性都比较低,与人们的期望和差甚远［8］。不同纳米金

6、属和合金的伸长率和晶粒大小的关系曲线［4］表明，随着晶粒减小，伸长率明显卜*降。当晶粒尺、?小于30nm时，大多数材料的伸长率均小于3%。压制制备的纳米铜（晶粒尺寸小于25nm），其仲长率低于10%,比粗晶铜小得多，丼且伸K率随晶粒的减小而减小。但界面洁净、高致密纳米铜［9］（晶粒尺寸为30nm）的伸长率大于30%，与粗晶铜差不多，而强度是粗晶铜的2倍。以上两种材料里然都是纳米铜,但是两者塑性的差异很大。Nieman等［4］的试验结果也证实材料压实程度和表面状况对纳米晶材料的塑性有巨大影响。因为压缩变形对孔

7、隙缺陷、微裂纹和夹杂物等不及拉仲变形时敏感，一些材料的压缩塑性比拉仲塑性耍大。已有的试验结果清楚表明，缺陷、致密度等对纳米晶材料的室温塑性有很大的影响。但口前纳米晶材料的性能大多是在非完全致密纳米晶材料（主要是先制备纳米粉体材料,然后压制、烧结）中测得的，那么已冇的试验数据能不能代表纳米晶材料的木征性能，仍宥待进一步深入研究。但也宥学荞认为纳米晶材料晶粒很小，晶N很少有位错，即使冇位错也难以运动，若无新的变形机制出现可能也会使纳米晶材料难以有较大的塑性变形能力［7］。2.3弹性模量纳米晶材料的弹性模量与其孔

8、隙率密切相关，随孔隙率减小，弹性模量增加。纳米晶银的弹性模量随密度的变化规律［10］呈现三个明妞的阶段，即当密度小于约92%吋，卵性模量随密度增加而增加；当相对密度为92%、4%吋，弹性模量对密度变化不敏感；而当相对密度大于94%时，弹性模量又随密度增加而迅速增加。可见纳米晶材料屮的孔隙、缺陷或裂纹使K弹性模量降低。如纳米晶铁的弹性模量随着孔隙率的降低快速增大［11］。试样中如存在空隙和裂纹，杨氏模量可降低很多［