材料力学行为尺度效应研究进展

近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心研究生余倩，在导师孙军教授、肖林教授，和该研究中心教授马恩、单智伟的悉心指导下，与美国宾夕法尼亚大学教授李巨、丹麦瑞瑟国家实验室黄晓旭博士合作，对微小尺度金属单晶材料中的孪晶变形行为及其对材料力学性能的影响进行了深入研究，发现了单晶体外观尺寸对其孪晶变形行为的强烈影响，以及相应材料力学性能的显著变化。此项成果已发表在1月21日出版的《自然》（Nature）杂志上。评审人对此项研究中所完成的大量首创性工作印象非常深刻，认为作者在材料力学尺度效应的研究方面取得了重大进展。伴随着微电子元器件与微机电系统（MEMS）等技术的进步，所用材料外形特征尺寸的下限也逐渐减小至亚微米甚至纳米量级，而该尺度正是材料塑性变形基本物理机制作用的空间范畴。也就是说，微纳尺度材料中，材料变形载体的特征尺度，如位错线与孪晶缺陷的特征尺度与作用空间，开始和材料的外部几何尺寸处于相似量级。比如块体钛合金中变形孪晶的尺度一般在0.1～10微米之间。当具有不同尺寸的微元器件中零部件所用材料外形几何尺寸与其相近时，孪晶是否仍然会发生、其临界条件和性能是否会随尺寸而改变等等，都是当前材料科学领域中的前沿课题和令设计工程师们异常感兴趣的问题。因此，作为材料开发和应用的重要步骤，如何准确测量和表征这些微小器件在制备和服役过程中的力学性能，成为事关其高性能设计制备与安全使用的关键性课题，也是材料科学发展所必须面对的挑战。以前，对这一方向的研究主要集中在位错的滑移行为，而对于材料的另一种重要塑性变形方式——孪晶在微小尺度材料中的成核与演化过程却鲜有报道。此外，以位错变形为主导的多晶金属材料存在一定的临界尺度。当材料的晶粒尺寸小于该特征尺度时，描述材料力学行为的经典“Hall-Petch”幂律关系，即“尺寸愈小、强度愈高”，亦将不再适用。描述孪晶变形的“Hall-Petch”幂律关系的斜率通常要比位错滑移变形的大很多，也就是说，孪晶变形应表现出更强的尺度依赖性。文章作者通过巧妙的实验设计，基于六方晶体结构金属孪晶、位错滑移变形的特异性，选取钛-5%铝合金单晶中以孪晶变形为主导塑性变形方式的晶体取向，利用纳米压入仪下微柱体压缩与相应的透射电镜原位定量变形表征技术，有针对性地研究了孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理。结果发现，当外观几何尺度减小到微米量级时，与相应宏观块体材料相同，材料的塑性变形仍以孪晶切变为主，但材料的屈服强度及其塑性变形中能够承受的最大流变应力均有显著提高，分别达到其宏观值的近5倍和近8倍，表现出很强的尺度依赖性。其实验测定的“Hall-Petch”幂律关系指数接近于1，即远高于多晶的0.5。令人惊奇的是，当晶体的外部几何尺度进一步减小到亚微米量级时，材料的塑性变形方式发生了根本性的转变。由于材料尺寸的限制，孪晶变形被完全抑制，并由位错滑移变形取而代之。而发生这一转变的临界特征晶体尺寸为一微米左右（远大于多晶纳米材料强度极值对应的20纳米）。小于该临界尺寸后，“Hall-Petch”幂律关系将不再适用，而材料所能承受的最大流变应力亦呈现出一种接近于所用材料理想强度水平的“应力饱和”平台现象。这就意味着，原本块体材料由于存在晶体缺陷而无法达到的强度“天花板”——理想强度已经被触及。更为重要的是，这种转变的特征尺度是在微米向亚微米过渡的范围，即小尺度材料在微器件和微机电系统等实际应用中所用材料的重要尺度范围。由此，文中提出了与光学物理“受激辐射”效应类似的，以螺位错为媒介的孪晶变形“受激滑移”模型，得到“Hall-Petch”幂律指数的理论值为1，与实验值吻合良好。并且由于仅有1%左右的位错可以作为极轴，而晶体尺寸愈小，就愈难于利用螺位错的极轴作用将两个相邻的滑移面有效地耦合在一起而形成孪晶，完美地解释了孪晶变形具有强烈的晶体尺寸效应和“尺寸愈小、强度愈高”的内在原因。此项研究结果对于系统认识微小尺度材料的力学行为有着十分重要的作用。对于微电子元器件与微机电系统所用材料的性能表征评价与设计，特别是利用其强度的强烈晶体尺度效应进行微纳加工等具有重要的指导意义。 &

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