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【中国科学报】寻找坚硬与柔韧并存的机制
 
2013-07-16 | 文章来源:中国科学报        【 】【打印】【关闭

■本报记者 沈春蕾

当金属材料具有纳米尺度微结构时,虽然其强度可以得到显著提高,但多数材料的塑性却因剪切带的过早出现而明显下降,使得材料无法拥有良好a的强塑性匹配。这其中关键的科学问题在于:在这些致命的剪切带中材料为什么容易发生高度应变局部化的大塑性变形?其基本的变形机制如何?

在大海边,当我们不经意地踩踏到一只活蛤蜊时,发现它很坚硬而且又不容易被踩碎,这要归功于蛤蜊的贝壳具有特殊的纳米层状“砖泥”结构,其中的“砖”便是具有纳米厚度的矿物质层,而“泥”是夹在“砖”层之间的有机质层。

这种特殊纳米层状结构使得贝壳在保持高强硬度的同时,兼具良好韧性,使贝壳良好的断裂韧性保护了蛤蜊,免遭“意外伤害”。

贝壳的结构给出一个启示:我们是否可以人工制备这种具有层状纳米结构的材料来应用呢?

在探索制备具有层状结构纳米金属材料时,人们发现:当金属材料具有纳米尺度微结构时,其强度可以得到显著提高,但塑性却明显下降,导致多数纳米尺度金属材料无法拥有良好的强塑性匹配,这其中的原因一直以来都没有给出合理的科学解释。这里的塑性是指在某种给定载荷下,材料发生永久均匀变形的能力。

《中国科学报》记者日前从中国科学院金属研究所获悉,沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部研究员张广平带领课题组,通过对纳米尺度铜/金层状材料压痕变形诱发剪切带区的原子尺度观察与理论分析,揭示了该类材料剪切带中组元层发生连续薄化大塑性变形的物理机制。

多用途的纳米材料

对于张广平的研究领域,单从字面理解有点困难,采访中他向《中国科学报》记者列举了很多生产、生活中的实例,首先从纳米材料开始。

“纳米材料的应用领域将会非常宽广,小到集成电路芯片,大到飞机和列车的结构件。”张广平告诉记者。

纳米材料按用途可分为纳米功能材料和纳米结构材料,日常生活中常见的铁、铜等金属材料都可以通过特殊加工成为具有纳米结构的金属材料;纳米层状材料是金属纳米材料中的一种,例如,由25纳米厚度的铜和25纳米厚度的金经过铜/金/铜/金……依次叠层而制成纳米层状材料。

探究塑性变形机理

对纳米材料的研究一直存在这样一个问题:“多数材料在通过内部微观结构的纳米化而变强的同时,很难保持其原有的韧性,更何谈使它变得更韧?”张广平对这一问题作了简单解释:“多数纳米金属在变形的时候容易产生剪切带,一旦剪切带出现,材料的变形便会集中在剪切带处,出现变形的高度局部化,而很快破坏。”

因此,张广平课题组希望通过研究,在深入理解纳米层状材料塑性变形微观机理的基础上,弄清纳米材料为什么容易出现致命的剪切带,并发生高度应变局部化的大塑性变形,其基本的变形机制又如何?以求最终寻找阻止甚至避免这些材料中致命剪切带出现的有效途径。

张广平表示,一旦澄清了其中的物理机制,有望让具有不同性质的金属组元层组装在一起,使其兼具强且韧的性能。

课题组研究发现,在由铜/金异质界面构成的纳米层状材料中,压痕下约束变形区和剪切带中的铜层都比金层发生了更为严重的薄化变形。实验观察与计算表明,沿铜/金界面的切应力是导致铜层薄化程度大的根本原因。

关于切应力的概念,张广平作了一个简单举例,把一个正方形纸盒的底面粘在桌面上,在盒子的顶面施加一个平行于该面的力,使正方形盒子变成平行四边形,这个力的单位面积力就是切应力。

通过原子尺度的界面结构观察与理论分析,课题组科研人员发现:平行于铜/金层界面的切应力分量能够将点阵位错与异质界面间的反应产物解锁,从而促进位错跨过异质界面,导致铜层连续薄化。对此,课题组提出了一个全新的“切应力诱导纳米层状材料塑性变形能力再生”的物理机制。

挖掘层状材料潜能

张广平课题组开展的这项研究工作成果揭示了纳米层状金属材料中异质界面控制的塑性变形行为与平行于界面的切应力间的内在关系,并很好地解释了纳米晶金属中剪切带内晶粒能够在剪切方向发生明显拉长、薄化变形行为的原因。

同时,该研究阐明了切应力在纳米结构稳定性中具有不可忽视的重要作用,这为包括纳米层状材料在内的超细尺度材料塑性失稳的控制提供了理论线索;揭示了层状材料中某些异质界面除了具有极强的阻碍位错运动能力外,在切应力诱导下该类界面也有可能成为像纳米尺度共格孪晶界那样具有吸收甚至容纳位错的能力,从而协调材料的塑性变形。

此外,“切应力诱导机制”对于如等通道转角挤压、高压扭转以及往复拉拔等利用严重塑性变形技术加工具有纳米尺度微结构的金属材料亦具有重要的应用参考价值。

最后,张广平希望自己团队的研究成果在未来能够得到广泛应用。回国10年的张广平,一直在开展纳米层状金属材料力学行为及机理的研究,他说:“我们目前只是迈出了一小步,距离真正的应用还有很长的路要走。”

虽然我们开始理解纳米层状材料变形的机理,但我们还不能完全解决韧性问题,当前的进展只是提供了一种新的认识,并且已经引起国际同行的关注。

科研人员的这一发现,为实现纳米尺度材料稳定塑性变形的控制提供了新的线索与思路,挖掘了纳米层状材料的新应用。

 

文章来源:《中国科学报》 (2013-07-16 第5版 创新周刊)

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