新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能分析

郭春文

摘 要：金屬以及合金材料等在航空航天等領(lǐng)域中的地位一向都是極其重要的，因此對(duì)新型金屬材料進(jìn)行研發(fā)有助于促進(jìn)國際經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。為了促進(jìn)新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料有更加廣泛的應(yīng)用，該文將對(duì)新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能進(jìn)行全面的分析及探討，其中主要以納米孿晶材料、納米層狀材料、梯度結(jié)構(gòu)材料以及混合結(jié)構(gòu)材料4種材料展開詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：納米材料 金屬結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：O341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0107-02

一直以來金屬及其合金在海洋裝備、交通運(yùn)輸、航空航天、國民經(jīng)濟(jì)以及國防軍工建設(shè)中都是不可缺少的功能材料。一直以來，新型的金屬材料都是材料科學(xué)以及凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域中不可或缺的前沿課題。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，越來越多的新型納米結(jié)構(gòu)的金屬材料已經(jīng)被科學(xué)家們研究出來了，其中主要包括納米孿晶片層、納米多層膜、納米柱、納米線材料等。該文將從以下4種材料入手，對(duì)新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能進(jìn)行具體分析。

1 納米孿晶材料

納米結(jié)構(gòu)金屬材料的界面力學(xué)主要包括晶界的強(qiáng)化機(jī)理和納米孿晶界面的力學(xué)行為，所以納米孿晶界對(duì)傾斜于孿晶界面的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能夠進(jìn)行有效阻礙。材料強(qiáng)度與孿晶厚度，二者在含有高密度孿晶界的多晶金屬材料中，是服從著傳統(tǒng)的Hall-Petch關(guān)系。當(dāng)孿晶片層厚度低于一定的臨界尺寸的時(shí)候，孿晶界附近的初始就會(huì)出現(xiàn)可動(dòng)位錯(cuò)密度增加的現(xiàn)象，同時(shí)孿晶界面也為位錯(cuò)滑移提供了非常有利的途徑，當(dāng)然，隨著孿晶片層的細(xì)化孿晶材料的強(qiáng)度也會(huì)逐步呈現(xiàn)出一定的降低趨勢(shì)。

眾所周知，納米孿晶界不僅能夠大幅度提升納米結(jié)構(gòu)金屬材料的韌塑性能，而且還有助于提高材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力，這些讓人驚嘆的獨(dú)特的力學(xué)性能，都源于納米孿晶界和位錯(cuò)的交互作用。孿晶界有時(shí)候會(huì)成為新的位錯(cuò)源，這是因?yàn)榻换プ饔卯a(chǎn)生的殘留位錯(cuò)在孿晶界上進(jìn)行了不斷的聚積，從而破壞了孿晶界的共格性，因此才產(chǎn)生了這種情況。與傳統(tǒng)的大角度晶界強(qiáng)化方法有很大的不同的地方在于，孿晶界與位錯(cuò)的獨(dú)特交互作用機(jī)制可以吸收大量的位錯(cuò)，這種位錯(cuò)不但容納可觀的塑性變形，同時(shí)還可以增強(qiáng)材料的加工硬化效應(yīng)，這便是他們的不同之處。

2 納米層狀材料

納米層狀材料之所以受到國內(nèi)外研究者工作者的狂熱研究，主要是因?yàn)槠鋸?qiáng)度和硬度都非常高。其金屬內(nèi)界面屬于二維缺陷，采用物理氣相沉積技術(shù)能夠精確且完美的對(duì)層片的厚度進(jìn)行控制，以此來制備各種體系的具有納米尺度層狀結(jié)構(gòu)的金屬材料。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，層狀金屬材料的強(qiáng)度和組元層厚度之間通常呈現(xiàn)一種對(duì)立的關(guān)系，不過層狀金屬材料的強(qiáng)度一般會(huì)隨著組元層的厚度的減小而逐漸增加。

學(xué)者所提提出的“切應(yīng)力誘導(dǎo)納米層狀材料塑性變形能力再生”的物理機(jī)制是利用高分辨率透射電鏡對(duì)壓痕誘發(fā)Cu/Au層狀材料的剪切帶變形行為依據(jù)的研究所提出來的，該機(jī)制證實(shí)了切應(yīng)力分量不僅能夠幫助解鎖位錯(cuò)和界面的反應(yīng)產(chǎn)物，而且還能促進(jìn)位錯(cuò)跨越界面，也能引起剪切帶內(nèi)組元層的連續(xù)薄化和塑性變形局域化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的宏觀塑性變形能力的制約。

3 梯度結(jié)構(gòu)材料

梯度結(jié)構(gòu)材料對(duì)于大多數(shù)人而言會(huì)比較陌生，不過它只是一種典型的非均勻材料，其材料的組成成分以及結(jié)構(gòu)或者是物理性能等都會(huì)沿著某一個(gè)方向或者幾個(gè)方向呈現(xiàn)出一些連續(xù)的梯度變化的特征。梯度結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)被廣泛擴(kuò)展并應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、電子、核能以及光學(xué)等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景非常廣闊，而且綜合性能也極其優(yōu)異。這種材料自提出開始就受到了世界的關(guān)注及轟動(dòng)，更是受到了各國材料科學(xué)工作者的重視及追捧。例如，梯度復(fù)合技術(shù)制備的 Ti/Al2O3材料不僅具有高溫抗氧化性，而且還具有高強(qiáng)度以及耐熱性等，其在宇航工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)該會(huì)非常廣泛。除此之外，經(jīng)過人們表面噴丸技術(shù)處理的非晶金屬材料，不僅梯度分布的殘余壓應(yīng)力，而且還會(huì)有大量的預(yù)置剪切帶，這種殘余的壓應(yīng)力和這些大量的預(yù)置剪切帶，能夠有效地抑制材料表面裂紋的滋生，同時(shí)也能提高并改善變形性能。

不僅如此，根據(jù)梯度結(jié)構(gòu)的定義以及表面機(jī)械研磨處理技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)納米結(jié)構(gòu)金屬材料高強(qiáng)低韌的難題，這是因?yàn)槔闷渌苽涑鰜淼奶荻燃{米金屬銅材料的晶粒尺寸在空間上呈梯度分布，從而具有的屈服強(qiáng)度以及拉伸塑性變形能力相當(dāng)高。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的分析可知，一種全新的變形機(jī)制，正在主導(dǎo)著梯度納米金屬銅在拉伸過程中的塑性變形，并在人們毫無察覺的情況下，正在漸漸伴隨晶粒長大，而這股神秘的力量就是機(jī)械驅(qū)動(dòng)的晶界遷移。如果想大幅度提升孿晶鋼材的強(qiáng)度且不損失其拉伸塑性，這一夢(mèng)想可在孿晶結(jié)構(gòu)的梯度多層次分布中得以實(shí)現(xiàn)。因此，可以通過一些通過預(yù)加的扭轉(zhuǎn)變形手段，使得材料的強(qiáng)度由里而外呈線性增加，以獲得孿晶鋼材中孿晶密度的梯度分布。而高密度的孿晶界又可以起到容納塑性變形的良好作用，從而使材料的加工硬化能力大大提升。

4 混合結(jié)構(gòu)材料

金屬玻璃主要包括非晶態(tài)金屬及其合金，而且具有的特性包括液體、固體、金屬以及玻璃的特性。非晶態(tài)Au-Si合金的首次合成是利用急速冷卻的物理方法完成的。就在這之后，因?yàn)榉蔷Ш辖鸬膬?yōu)越性能，從而使得不斷涌現(xiàn)出很多的新型非晶合金。

所謂的非晶合金就是一種特殊的凝聚態(tài)的物質(zhì)。非晶合金從宏觀上可以是一種同性的均勻材料，而從微觀上其原子在某種程度上具有不均性。其不均性可以從非晶合金的原子無序排列，非晶合金的原子無序排列上體現(xiàn)出來，而且在微米和納米的尺度上依然存在結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)的不均性。

另外，這種混合材料還存在微尺度的漲落情況，之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的額情況，是因?yàn)樗鼈冊(cè)谕饬Φ淖饔弥?，有些比較脆弱的原子團(tuán)簇比其他原子更加容易被激活，不過這些被激活的原子團(tuán)在局部區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生剪切變形的現(xiàn)象。所以，從另一角度來看，這種結(jié)構(gòu)的材料的塑性變形的潛力還是非常強(qiáng)的。然而STZ在常溫下會(huì)出現(xiàn)局域化，從而形成剪切帶，進(jìn)而使其特征寬度比宏觀式樣的尺寸要小很多。常溫下，剪切帶內(nèi)塑性變形非常嚴(yán)重，因此它們很容易會(huì)沿著剪切帶斷裂，使得材料會(huì)很快隨之軟化失效，隨后形成裂紋，但是剪切帶基本上并沒有發(fā)生塑性流動(dòng)。這樣的非均勻變形模式使得常溫下的非晶態(tài)合金材料無法承受拉伸載重所帶來的負(fù)荷量，從而在很大程度上對(duì)該材料在工程中的應(yīng)用有極大的限制。

5 結(jié)語

該文從微觀角度分析了新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)行為特征以及關(guān)鍵變形機(jī)制，以此作為該類材料的制備和工程應(yīng)用的理論支持。通過綜合整理收集的資料，具體分析了4種新型的納米結(jié)構(gòu)金屬材料，介紹各類材料的成分以及組織等結(jié)構(gòu)要素，從而很好地體現(xiàn)了新型納米結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能，由于這些新型的納米結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)具有多種多樣的特征，因此也具有很多性能，尤其是強(qiáng)度和韌性方面的性能特別高。

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