纳米材料的变形机制

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1、纳米晶体独特的结构特征，使其表现出一系列与普通多晶材料、非晶材料有本质差别 的性能。因此，对其结构的研究，不仅可深化和拓宽对已有晶体缺陷理论的认识，且有助于 理解纳米晶体材料不同于传统粗晶、非晶材料的特殊性能。纳米晶体材料的缺陷众所周知，缺陷对于研究材料的变形有着重要的作用。实际晶体存在结构缺陷，缺陷 处的原子结构不同于理想晶体结构者。纳米材料就其结构特征来说，平移周期遭到了很大的 破坏，它偏离理想晶格的区域很大，这是因为纳米材料的界面原子排列比较混乱，其体积百 分数比常规多晶材料大得多，即使纳米材料之晶粒组元的结构基本与常规晶体相似，但由于 尺寸很小，大的表面张力使晶格常数减小，故纳米材料实

2、际上是缺陷密度较高的一种材料。但是，纳米材料的缺陷种类、缺陷行为和组态、缺陷运动规律是否与常规晶态的一样? 对于常规晶体建立起来的缺陷理论对描述纳米材料是否还适用纳米材料中是否存在常规晶 体中从未观察到的新缺陷?哪一种缺陷对材料的力学性质起主导作用?诸多此类问题至今尚 未得出明确结论，是亟待进行理论研究与实验探索的重要课题。纳米晶体材料的变形研究（1）变形机制一些观点认为：纳米材料中存在大量的点缺陷，如果说把界面看作是纳米材料的基本 构成而不是一种缺陷的话，那么纳米材料中点缺陷很可能就是最主要的基本缺陷。此观点的 基础是，从理论上分析，纳米材料中很可能是无位错的（disloca tion fr

3、e e）,有时位错增殖的临界切应力t c与Frank-Read源的尺度成反比。一般来说, F-R源的尺度远小于晶粒尺寸，而纳米材料中，晶粒尺寸十分小，如果在纳米微粒中存在 F-R源的话，其尺寸就会更小。这样开动F-R源的临界切应力就非常大，粗略估计比常规 晶体大几个数量级。这样大的临界切应力一般很难达到，因此位错增殖在纳米晶内不会发生， 所以在纳米晶体中很可能没有位错，即使有位错，位错密度也是很小的。M. Kir itani认为，纳米晶体材料的塑性变形过程不是位错的移动。发生新的 变形机制的一般要求是，存在接近于极限应力的极高的内部压力。发现空位或者空位团（v acancy clus ters

4、）的大小、浓度都对金属薄膜的变形有一定的影响。使用嵌 入原子法（EAM ）研究包含高浓度空位的Au的塑性变形，同时计算晶体的电镜图像发现, 随机分配的空位或者空位团并不能引起晶格点阵的大的变形，除非空位或空位团的浓度超过 一定的百分比。Francisco Eiichi Fujita的研究也证明，在纳米金 属晶体的高速塑性变形中有一定数量的空位或者空位团，而没有位错运动的迹象。传统粗晶材料的塑性变形是由起源于晶粒的位错引起的，变形导致残余位错积累。B udrovic等研究了电积纳米镍变形过程中的x衍射峰宽变化，发现在变形后卸载时衍 射峰宽变化是可逆的，但是变形的过程中没有建立残余位错网络，从而预

5、示变形过程并未造 成残余位错堆积以及加工硬化过程。另一类观点是：除了存在点缺陷外，纳米晶体在靠近界面的晶粒内存在位错，但位错 的组态、位错运动行为都与常规晶体不同，例如没有位错塞积、由于位错密度低而没有位错 胞和位错团、位错运动自由程很短、与晶界的交互作用等。Gryazn ov等人从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内位错组态的影 响，对多种金属纳米晶体的位错组态发生突变的临界尺寸进行了计算。其主要观点是，与纳 米晶体的其它性能一样，当晶粒尺寸减小到某个特征尺度时，性能就会发生突变。例如，当 晶粒尺寸与德布罗义波长或者电子平均自由程相近时，由于量子尺寸效应，使许多物理性质 发生了变化。当粒

6、径小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，当粒径大于此临 界尺寸时，位错稳定地处于晶粒中。对于单个小晶粒，他们把位错稳定的临界尺寸标定为特 征长度Lp0Lp=Gb a P （G是剪切模量，b是伯格斯矢量，为点阵摩擦力）。同一种材 料，粒子的形状不同，位错稳定的特征长度也不同。Kumar等人通过透射电子显微镜观 察拉伸变形时，发现在金属镍纳米晶体中，位错在塑性变形中起主要的作用。晶界发射位错 和晶内滑移以及不协调晶界之间的滑动，将促进晶界处和三叉晶界晶粒之间空隙的形成。Gutkin等人认为，纳米金属晶体的变形机制在于晶界滑移和扭转变形的共同作 用。在他们的模型中，滑移晶界位错在三叉晶界分

7、解成沿相邻晶界攀移的位错。这个过程重 复进行，导致晶界位错墙的攀移，并伴随着纳米金属晶粒中晶格点阵的旋转传递随之扭转变 形。Froe thA等对纳米晶Al的研究表明，在孪晶和位错、位错和晶界等的相互作用 下形成了层错（st ackingfau It）。同时，用分子动力学模拟展现了位错-位错 和位错-孪晶反应导致复杂的孪晶网络的形成，以及孪晶间界通过梯状位错连接的结构。2000 年，中国科学院金属所卢柯研究小组在实验中发现，将晶粒为纳米尺度的铜在室 温下反复冷轧，延伸率达到了 5100%以上，没有出现硬化现象。这一发现表明，金属纳米晶 体与普通金属材料有完全不同的性能。卢及其合作者对纳米晶和传统

8、粗晶进行对比，得出在 Cu纳米金属变形的过程中存在晶界滑移的结论。（2）研究方法1）电镜（TEM）利用扫描隧道显微镜，可以在原子和纳米尺度下观察并操纵原子。高分辨TEM 是直接观察纳米材料的结构、尤其是界面结构的一种有效方法。目前，已利用高分辨率TE M分别在纳米晶体中观察到位错、孪晶、位错网络等。2）分子动力学计算机模拟J. Schi otz等用分子动力学计算机模拟得到的结果是，纳米晶体Fe,Cu, Ni之弹性模量比普通多晶小，且随着晶粒的减小而降低，其主要原因被认为是，纳米晶体 的变形乃大量晶界和大量三叉晶界等缺陷所致。H.Van.Swygenhoven等认为，在晶粒尺寸减小到50100

9、nm时，位 错就很难产生。fee金属晶体临界尺寸为1020n m,换句话说，在这么小的晶粒中， 不仅位错堆积不存在，甚至位错也不可能产生。P.M. Derle t, A. Hasnao ui 以及H. Van.Swygenhoven 等，也应用分子模拟的方法来说明纳米晶体的变形机制20。他们认为，不仅是晶粒尺寸， 而且其它结构参数也在纳米晶体变形过程中起重要作用。其模拟结果显示，晶粒尺寸低于临 界尺寸时的晶体塑性变形，主要来源于晶内的变形-晶界滑移（grain boundar y sliding-GBS），随着晶粒尺寸的增大（1012n m,不高于30 nm），基于晶 外变形的位错也被激活，晶

10、界发射位错和在完整的3D晶界网络观察到的位错仅有局部位 错。这样的位错变形机制基本上和传统多晶材料变形机制不一样，后者是位错和位错相互作 用导致晶体变形的。结论与展望众所周知，在传统的粗晶材料中的形变织构是位错运动的结果。事实上，超细晶材料 中仅有很少的位错在晶粒中被观测到，而且这些位错处于封锁状态。实验表明，纳米相材料 的位错是很少的。当观测到位错时，它存在于较大尺寸晶粒的材料中，或处于不可动的锁闭 组态。位错少的原因是镜像力存在于有限原子集合中，它倾向于把位错拉出晶粒之外。特别 是对于小晶粒，这个力如同靠近导体自由表面的点电荷的力。缺少可移动的位错，这一点对于纳米材料力学行为有重要影响。因

11、为开始没有足够数 目的可移动的位错去改变超细晶粒纳米相材料的塑性，所以必有新的可移动位错产生，或者 有其它变形机制如晶界滑移起作用。位错可以产生或者可以因多种源增殖。一个简单的代表 性的例子是Rrank-read位错源。这种情况下，阻止位错运动的两钉扎点间的位错 线可以弯曲，从而形成一个新的位错。条件是作用在钉扎的位错上的应力足够大，产生这样 一个Rrank-read位错源所需的应力反比于两钉扎点的距离，因此也受到晶粒尺寸 的限制。这表明纳米材料中的位错增殖随晶粒尺寸的变小越来越困难。在足够小的晶粒中，临 界应力实际上变得大于传统材料的屈服应力，甚至接近于完全无位错的单晶体的理论屈服强 度。当晶粒尺寸减小到纳米的范围内时，传统的位错的产生和移动都变得相当困难，因此， 以往的机制对于纳米材料是不成立的，需要更有价值、更有说服力的理由来说明纳米晶粒的 变形机制。