金屬所發(fā)現(xiàn)納米金屬機(jī)械穩(wěn)定性的反常晶粒尺寸效應(yīng)
近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧柯院士、李秀艷研究員發(fā)現(xiàn)納米金屬機(jī)械穩(wěn)定性的反常晶粒尺寸效應(yīng)。相關(guān)成果3月29日于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線發(fā)表。
納米金屬的晶界在機(jī)械變形作用下容易發(fā)生晶界遷移并伴隨晶粒長(zhǎng)大，使得納米材料發(fā)生軟化，這種現(xiàn)象在拉伸、壓縮、壓痕等變形條件下均有大量實(shí)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算模擬結(jié)果的報(bào)道。機(jī)械驅(qū)動(dòng)晶界遷移不僅破壞材料的性能，也給利用塑性變形法制備納米晶帶來巨大困難。
盡管目前對(duì)于機(jī)械驅(qū)動(dòng)晶界遷移的根本機(jī)制還存在爭(zhēng)議，但相關(guān)模型和計(jì)算模擬均表明機(jī)械驅(qū)動(dòng)晶界遷移伴隨著明顯的晶界區(qū)原子重組和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這說明該過程與晶界狀態(tài)有密切關(guān)系。一般認(rèn)為，力作用下的晶界遷移速率與晶界能、晶界的曲率、晶界上的有效臺(tái)階等相關(guān)。晶粒尺寸越小，晶界曲率越大，遷移速率加快。
盧柯和李秀艷發(fā)現(xiàn)，對(duì)于塑性變形制備的納米晶Cu、Ag、Ni（銅、銀、鎳）樣品，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸變形時(shí)，隨著晶粒尺寸從亞微米減小至納米量級(jí)，晶界遷移先逐漸增強(qiáng)，而當(dāng)晶粒尺寸小于臨界值時(shí)，晶界遷移逐漸受到抑制，這一結(jié)果顛覆了傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，與其在納米晶熱穩(wěn)定性晶粒尺寸反常效應(yīng)的相關(guān)發(fā)現(xiàn)一致。
對(duì)于Cu、Ag、Ni而言，實(shí)驗(yàn)中臨界晶粒尺寸分別約為75、80、38納米。研究表明臨界尺寸以下納米晶在塑性變形過程中其晶界容易發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)晶界馳豫，而這種晶界馳豫抑制了晶界遷移行為，使得納米晶變形機(jī)制由晶界遷移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)形成變形孿晶或?qū)渝e(cuò)為主導(dǎo)，納米晶機(jī)械穩(wěn)定性增強(qiáng)。
該研究還發(fā)現(xiàn)，采用合適退火工藝對(duì)Cu中臨界尺寸附近未發(fā)生機(jī)械馳豫的納米晶進(jìn)行熱處理，使其晶界發(fā)生熱馳豫，同時(shí)保持晶粒尺寸基本穩(wěn)定，在后續(xù)進(jìn)一步拉伸變形過程中其晶界遷移明顯受到抑制，晶粒表現(xiàn)出更高的機(jī)械穩(wěn)定性。
此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)說明與晶界偏聚效應(yīng)類似，晶粒尺寸相關(guān)的晶界馳豫效應(yīng)能明顯對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)晶界遷移起到抑制作用，這為提高納米晶機(jī)械穩(wěn)定性提供了新的方法，同時(shí)也為發(fā)展納米晶制備工藝提供了重要參考。
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