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    提高材料綜合強韌性的新途徑

    金屬所學者提出提高材料綜合強韌性的新途徑


    2009年4月17日出版的《科學》發表特邀綜述論文,詳細闡述了利用納米尺度共格界面強化材料的研究成果,此項成果由中科院金屬所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室盧柯研究員、盧磊研究員與美國麻省理工學院S. Suresh教授合作,在過去大量研究工作的基礎上完成。如何提高材料的強度而不損失其塑性?這是眾多材料科學家面臨的一個重大挑戰。為了使材料強化后獲得良好的綜合強韌性能,強化界面應具備三個關鍵結構特征:

    (1)界面與基體之間具有晶體學共格關系;

    (2) 界面具有良好的熱穩定性和機械穩定性;

    (3) 界面特征尺寸在納米量級(<100nm)。

    進而,盧柯等研究人員提出了一種新的材料強化原理及途徑——利用納米尺度共格界面強化材料。

    提高材料的強度是幾個世紀以來材料研究的核心問題。

    迄今為止強化材料的途徑可分為四類:

    固溶強化、第二相彌散強化、加工(或應變)強化和晶粒細化強化。

    這些強化技術的實質是通過引入各種缺陷(點缺陷、線、面及體缺陷等)阻礙位錯運動,使材料難以產生塑性變形而提高強度。但材料強化的同時往往伴隨著塑性或韌性的急劇下降,造成高強度材料往往缺乏塑性和韌性,而高塑韌性材料的強度往往很低。長期以來這種材料的強韌性 “倒置關系”成為材料領域的重大科學難題和制約材料發展的重要瓶頸。

    傳統的材料強化技術多利用普通非共格晶界或相界阻礙位錯運動來提高強度。當材料中引入大量非共格晶界時,強度顯著提高(如納米晶體材料的強度較粗晶體材料高一個數量級),但隨著位錯運動“阻礙物”(即非共格晶界)的不斷增多,晶格位錯運動受到嚴重阻礙甚至被完全抑制而不能協調塑性變形,因此材料變脆。

    共格晶界或相界是一類特殊而常見的低能態界面,結構特征是界面上的原子同時位于其兩側晶格的結點上,即界面兩側的晶格點陣彼此銜接,界面上的原子為兩者共有。一些共格晶界(如小角度傾側晶界)對位錯運動的阻礙能力弱,因而不能有效地強化材料;而另一些共格或半共格晶界則可有效地阻礙位錯運動,具有強化效應,例如沉淀強化Al-Cu合金中的GP區和Ni基合金中的沉淀相等。但是,這些沉淀相中共格界面穩定性低,當沉淀相長大后共格關系即消失;孿晶界是一種特殊的共格晶界,其兩側的晶格呈鏡面對稱。盡管研究表明在一些退火態合金中單個孿晶界對位錯的阻礙作用與普通晶界相當,但是由于孿晶界數量較少,其總體強化效應遠弱于其他強化機制(如固溶強化和細晶強化等)。因此,長期以來人們一直沒有將共格界面作為一種可有效強化材料的界面來加以利用。

    然而,共格界面的獨特結構使其具有一些特殊力學行為,部分共格界面(如孿晶界)既可阻礙位錯運動,又可作為位錯的滑移面在變形過程中吸納和儲存位錯,因而對提高材料的韌塑性有貢獻。若能有效地提高共格界面的穩定性,增加共格界面的密度,則可利用共格界面提高材料的強度,并同時提高其韌塑性。

    盧柯等人研究發現,納米尺度孿晶界面具備上述強化界面的三個基本結構特征。他們利用脈沖電解沉積技術成功地在純銅樣品中制備出具有高密度納米尺度的孿晶結構(孿晶層片厚度<100nm)。發現隨孿晶層片厚度減小,樣品的強度和拉伸塑性同步顯著提高。當層片厚度為15nm時,拉伸屈服強度接近1.0 GPa(是普通粗晶Cu的十倍以上),拉伸均勻延伸率可達13%。顯然,這種使強度和塑性同步提高的納米孿晶強化與其他傳統強化技術截然不同。理論分析和分子動力學模擬表明,高密度孿晶材料表現出的超高強度和高塑性源于納米尺度孿晶界與位錯的獨特相互作用。例如當一個刃型位錯與一孿晶界相遇時,位錯與孿晶界反應可生成一個新刃型位錯在孿晶層片內滑移,同時可在孿晶界上產生一個新的不全位錯,該位錯可在孿晶界上滑移。當孿晶層片在納米尺度時,位錯與大量孿晶相互作用,使強度不斷提高。同時,在孿晶界上產生大量可動不全位錯,他們的滑移和貯存為樣品帶來高塑性和高加工強化。由此可見,利用納米尺度孿晶可使金屬材料強化的同時也可提高韌塑性。

    材料中納米尺度孿晶界可以通過多種制備技術獲得,如利用電解沉積、磁控濺射沉積、塑性變形或退火再結晶等工藝均可在金屬中產生納米尺度孿晶。研究表明,沉積速率越快形成的孿晶層片越薄。如在脈沖電解沉積中當沉積速度超過4nm/s時,Cu樣品中的平均孿晶層片小于20nm。塑性變形誘發的孿晶在中低層錯能材料(如Cu、Cu合金及不銹鋼等)十分普遍,提高應變速率或降低變形溫度等均有助于孿晶形成。盧柯等人近期發展的動態塑性變形(DPD)技術可使材料中形成大量的納米尺度孿晶界,已成為制備塊狀納米孿晶結構的有效途徑。利用納米尺度共格晶界強化材料還可以帶來優異的電學性能。研究表明,超高強度納米孿晶Cu樣品具有與無氧高純銅相當的高電導率,可同時實現高強度高導電性。納米孿晶結構可有效降低Cu中電致原子的擴散遷移率,從而大大降低電遷移效應,這為減少微電子器件中銅線的電遷移損傷找到了新的解決途徑。也有學者發現納米孿晶結構可有效提高材料的阻尼性能,為研發高性能阻尼材料開辟了新途徑。

    利用納米尺度共格界面強化材料已成為一種提高材料綜合性能的新途徑。盡管在納米尺度共格界面的制備技術、控制生長,及各種理化性能、力學性能和使役行為探索等方面仍然存在諸多挑戰,但這種新的強化途徑在提高工程材料綜合性能方面表現出巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。

    A(自左向右):固溶強化、第二相彌散或沉淀強化、加工(或應變)強化

    B:晶粒細化強化 (或晶界強化)

    A和B分別是材料的傳統強化途徑示意圖

    C為新提出的納米尺度孿晶界強化示意圖,右側為一孿晶界示意圖



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