超细晶对制备方法的总结、及一些制备方法的分析

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1、有关纳米晶/超细晶问题的研究一、纳米晶/超细晶介绍1、定义：纳米材料是指在三维空间尺寸至少有一维是处于纳米数量级(d<100nm)的材料，而处于亚微米数量级(0.1

2、异的力学、热学、光学、电学和磁学性能。其各方面的性能变化原因主要体现在以下几个方面：1）力学性能和变形行为超细晶材料的性能改变首先表现在力学性能的提高上，Hall--Petch指出，常规多晶体的屈服应力与晶粒尺寸之间存在关系式:式中一一材料发生0.2%变形时的屈服应力一一移动单位个位错时产生的晶格摩擦阻力K一一常数d一一平均晶粒直径H--P关系式是在多晶体的位错塞积模型基础上导出的.对于传统的多晶材料而言，相对于晶粒内部，晶界的自由能很高，是阻碍位错运动的势垒.在外力作用下，为了在相邻晶粒内产生切变变形，晶界处必须产生足够大的应力集中。细化晶粒可产生更多的晶界，如果晶界

3、的结构未发生变化，则需施加更大的外力才能产生位错塞积，从而材料得到强化。因此，细化晶粒一直是改善材料强度的一种有效手段。如果H--P关系式成立，则材料的屈服应力或硬度与几之间为斜率大于零的线性关系，即材料强度随晶粒尺寸的减小而迅速提高。21但是，材料强度并不可能随着晶粒尺寸减小而无限地增加.右图为与d之间关系的示意图。理论上，材料强度不可能超过其完整晶须的强度，这可视为对应关系的上限。此外，在晶粒非常细小的情况下，晶界处任何弛豫过程均可使强度下降；同时，如果晶粒小到不能容纳一个位错时，H--P关系式将不再成立，此即右图中的d＜时的情况。从极限角度讲，当晶粒尺寸趋近于零时

4、，材料已变成非晶态，晶界强化效应消失.实验表明，非晶态的硬度值确实低于其晶态值。因此，晶界强化效应的实现是有条件的。关键在不同材料的晶粒尺寸与该材料的极限尺寸之间的关系。金属晶粒在微米级超细化之后，晶粒尺寸还没有小到的程度，所以超细晶材料的强度和硬度一般增高;塑性与韧性也比常规材料有很大的改善。强韧性能改善的原因：晶粒尺寸大，相应晶界所占的比例数就小，这样在外力作用下位错的滑移就容易进行；加之晶粒内部和晶粒相互之间的组织不均匀性较大，就会引起位错滑移变形的不均匀分布。从而在位错集中的部位容易引起初始裂纹较快产生。反之，晶粒尺寸小，晶界所占的比例大，组织均匀性因此较好，这

5、样晶界对位错滑移的牵制作用均匀分布，不容易形成位错集中，因此初始裂纹形成得慢，裂纹尺寸也较小。初始裂纹形成后，在外力作用下会继续扩展长大；当晶粒小时，由于晶界多，不仅限制了位错滑移的进行和聚集，宜使滑移不断改变方向，从而降低了裂纹扩展长大的速率。同时，一般材料晶粒达到微米级后，在一定的温度、应力和应变速率下拉伸时，还会出现超塑现象。超塑性就是材料在变形过程中产生极大的伸长量(00%)而表现出来的特殊性能。超细晶材料容易出现超塑性是因为晶粒界面具有很高的延展性，而大颗粒却容易形成应力集中，为孔洞的形核提供位。即使是陶瓷，在临界颗粒尺寸为200500nm时，也会表现出超塑性

6、。此时，陶瓷的界面百分数约为1%0.5%，界面原子扩散十分容易，当扩散速率大于应变速率时，则出现超塑性.所以，金属及其合金组织超细晶化是获得超塑性的先决条件。此外，材料的晶粒超细化之后，其模量(弹性模量)也一般会改变，相关学者推测这可能是由于界面原子间距一般大于晶内原子间距的缘故.增大的原子间距会导致原子间的相互作用力变强，当界面百分数增大到不可忽略的程度(%1)之后，就会导致材料的总体弹性变形性能随之改变。2）热学性能超细晶材料晶界面不规则排列原子体积百分数的提高，还会导致以内耗为标志的金属阻尼性能的提高。因为多晶体金属阻尼材料的阻尼耗能来自于晶界面的非弹性流动，当受

7、到外力作用发生振动时，其微观构造中的相界面将发生粘滞流动或变形，吸收一部分振动能并将其转化为热能或其它能量而耗散掉21。实验表明，ZA27合金中的两相数量及其排列是影响其阻尼能力的重要因素，挤压铸造的细晶ZA27合金比重力铸造的常规组织的固有频率低58%、内耗高120%、传递函数低、振动衰减效果好。另外，超细晶或纳米材料的比热一般比常规材料高许多，因为界面体积比较大，则熵对比热的贡献高于常规材料.如Cu的纳米晶比热提高了9%11%，最高可达50%。同时，标志超细晶材料晶格非线性振动强度的热膨胀系数也有显著改变。纳米晶内和晶界均有非线性热振