“内”、“外”双尺度交互作用下金属塑性变形机制研究

当材料外形尺寸接近或小于其内部微结构特征尺寸时，微小的金属晶体常表现出与块体材料迥异的力学行为。这种物理外形尺寸变化导致的特异力学响应引起学术界广泛关注，但以往研究多集中于单晶金属。本项目针对具有大量晶界或界面的面心立方纳米多晶金属体系，通过FIB等先进样品制备技术的应用和平压头纳米压痕技术的离线及电镜在线实施，力争刻画并阐明典型纳米结构金属材料在外形尺度及内部微结构尺度交互作用下的特异塑性变形行为及其尺度效应；分析"内"、"外"两种尺度变化对金属晶体塑性变形的制约和影响，提炼恰当的表征参量；针对纳米结构面心立方金属微柱体的压缩行为，尝试揭示不同尺度变化下的主控变形机制，以期对小尺度材料的变形研究和新型低维材料的开发提供新方法和新理论。

当材料外形尺寸接近或小于其内部微结构特征尺寸时，微小的金属材料常表现出与块体材料迥异的力学行为。本项目针对具有大量晶界或界面的面心立方纳米多晶金属体系及金属玻璃，力争刻画并阐明典型纳米结构金属材料在外形尺度及内部微结构尺度交互作用下的特异塑性变形行为及其尺度效应；分析“内”、“外”两种尺度变化对金属晶体塑性变形的制约和影响，提炼恰当的表征参量。项目运行4年来，取得了以下主要成果。.1）在塑性变形的传播过程中，纳米晶金属中的晶界作为位错运动的有效屏障，可以显著提高材料的应变速率敏感性，使得纳米晶金属塑性变形的激活过程显著依赖与晶粒尺寸。同时，在“晶体/晶体”纳米多层膜中，大量的异质界面使其性能与其调制波长及微观结构密切相关。然而，我们的实验在非共格的Cu/Ta金属纳米多层膜中并没有发现应变速率敏感性具有强烈的尺寸效应。这是由于连续介质模型将晶界和界面都视为对位错阻碍的面缺陷，而忽略了晶界和界面本身结构的不同。这一研究系统的对比了纳米尺度下晶界和界面在塑性变形中的不同作用，揭示了多层膜这类及含有晶界又含有界面材料应变速率敏感性的尺寸效应，为进一步理解缺陷结构与塑性变形内在机理提供思路。.2）β弛豫强度的改变一般认为与金属玻璃组元的选择及组元的成分比等相关。而本项目组的前期研究结果表明：将NiW金属玻璃包裹在NiW晶体层内会出现显著的β弛豫强度变化；并且在限制态金属玻璃中通过高分辨透射电镜观察到了自由态金属玻璃中并不存在的白亮条带。尤其是，限制态金属玻璃体现出了退火韧性，而不是通常金属玻璃中出现的退火脆化现象。.3）针对纳米晶Cu/非晶CuZr多层膜，利用纳米压入方法研究了不同调制波长和调制比对其硬度和剪切带变形的影响。结果表明，“晶体/非晶”多层膜的剪切带数量直接决定于非晶层厚，与多层膜的调制结构无关，且CAI对多层膜强度到底起硬化还是软化作用是有尺寸效应的。“晶体/非晶”多层膜界面的剪切软化效应，在非晶层含量少而纳米晶层含量多的情况下，可以消失，甚至会出现硬化。“晶体/非晶”多层膜的剪切带数量决定于非晶层厚，与多层膜的调制结构无关。