纳米晶材料的力学性能

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1、第五章纳米晶材料的力学性能田玉明太原科技大学本科生选修课纳米材料5.1纳米晶金属和合金的力学性能一、孔隙对性能的影响图5-1显示了Pd和Cu纳米晶杨氏模量与孔隙率之间的函数关系。可以看出，杨氏模量随孔隙率的提高而降低。这已经被许多的力学模拟和计算结果所证实。Wachtman提出了一个孔隙率和杨氏模量之间的关系表达式：E=E0(1-f1p+f2p2)(5.1)式中p是孔隙率，f1和f2分别等于1.9和0.9。对于相对低的孔隙率，P2可以忽略不计，于是近似地得到E/E0=1-1.9p。杨氏模量孔隙率图5-2是Cu和Pd金属中，屈服应力

2、随压实密度变化的关系曲线。显然，屈服强度受到了压实密度的强烈影响。这可能是已经存在的孔隙为裂纹的扩展乃至材料的断裂失效提供了初始位置。密度二、屈服强度多晶材料的屈服应力与其晶粒尺寸之间的关系遵循Hall-Petch关系，即：（5.2）σy是材料的屈服应力，σ0是摩擦应力，k是一个常数。这只是一个近似，更为一般的形式是d的指数为-n（0.3≤n≤0.7）。式（5.2）所列的Hall-Petch关系预测了应力会随着晶粒尺寸平方根的倒数的提高而提高。但是，一些研究结果显示，在粗晶粒材料中得到的这种Hall-Petch关系不能被很好地外推

3、到晶粒尺寸小于1μm的情况。表5-1通过IGC法合成的纳米晶Pd和Cu的压缩屈服强度试样号压实温度(°C)密度(%理论)晶粒尺寸(nm)屈服强度(GPa)硬度/3(GPa)Pd133598.5541.151.0Pd218397.9381.10–1.131.1Pd3RT95.3240.750.75Cu110692.5190.650.77Cu210698.4200.850.87可以看出，纳米晶Cu和Pd的屈服强度明显地比相对应的粗晶材料的强度要高，并且对材料的致密度有较强的依赖性。图5-3(a)是Chokshi等人观察到的Cu和Pd纳

4、米晶中的反Hall-Petch关系。(b)压缩实验比拉伸实验具有更高的正Hall-Petch关系斜率值。Chokshi等人认为，纳米晶铜负的斜率是由于室温下快速扩散蠕变的出现造成的。Coble蠕变被认为是主要的变形机制，即：（5.3）强度MPa晶粒尺寸-1/2(nm-1/2)图5-4显示了300K时，应力分别为100MPa（a）和1000MPa(b)情况下，应变速率和晶粒尺寸之间的关系。从这个曲线可以看出，当晶粒尺寸小于20nm左右时，晶界扩散过程变得越来越重要。晶粒尺寸，d(nm)应变速率晶粒尺寸，d(nm)应变速率图5-5显示

5、了4种不同的金属Cu、Ni、Fe和Ti，当晶粒尺寸从微米到纳米范围内变化时其H-P关系的变化趋势。可以看出，在传统粗晶材料尺度范围内，数据点大多都是重合一致的。而在纳米晶范围内，数据点分布显得非常离散，由此而得到的H-P关系明显偏离了微米晶材料的规律，斜率也有所减小。屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度传统传统传统传统三、延展性在传统粗晶材料研究中，人们认为晶粒尺寸越小，材料的延展性会提高，因而，期待着当晶粒尺寸降低到纳米数量级后，可能使延展性有大幅度的改善。但实际上，已有的研究表明，当金属的晶粒尺寸≤25nm后，其延展性非常差，只有

6、这些金属在传统晶粒尺寸范围内延展性的40%~60%。Koch认为纳米晶材料有限的延展性可能有以下3个主要原因：（1）加工过程中缺陷的引入（例如孔隙）；（2）拉伸失稳；（3）裂纹的形核或者剪切失稳。以晶粒尺寸为函数来阐述不同的塑性变形机制分子动力学模拟结果表明：（a）晶粒尺寸d>1μm，材料中的位错和加工硬化现象控制了塑性变形；（b）在最小的晶粒尺寸d<10nm，其中晶内位错数量和活性有限，晶粒边界剪切被认为是主要的变形机制。（c）中间的晶粒尺寸范围（10nm~1μm）内，人们的理解仍然很少，正是这些不为人们所熟知的机理强烈地影响了

7、材料的延展性。图5-6（a）是在纳米尺度范围内，金属材料屈服强度和伸长率之间的关系曲线，随着强度的提高延展性明显降低。相比较来说，超细晶粒材料（ultrafinegrainedmaterials-UFG）（100nm~500nm）在屈服强度提高的同时，具有较好的延展性（图5-6（b））。延伸率/%延伸率/%Al合金归一化后的屈服强度归一化后的屈服强度图5-7（a）显示了在传统的粗晶尺寸区域，金属的延展性与强度之间的关系曲线。可以看出，随着强度的提高，延展性降低，这些数据点基本上都落在了图示的灰色区域。但在这个区域上方，有5个数据点

8、与此规律不一致，即在较高的强度下保持了较好的延展性。研究认为有3个因素决定了材料的延展性：加工硬化、应变速率敏感性以及热软化。在一些情况下，由于剪切局域化被阻止，材料表现出了较高的延展性。应变速率敏感性m，可以表达如下：（5.4）延伸率(%)真应变