杂志俱乐部2010年8月:纳米孪晶FCC金属的变形机制

尽管九十年代纳米晶金属由于其超高强度而得到了广泛的研究，但由于其易碎性和结构稳定性的丧失，早期的热情遭到了严重的失望。相比之下，过去几年的研究提供了令人信服的证据，表明纳米孪晶结构可能是设计高强度和高延展性材料的最佳主题。事实上，含有20-100 nm厚度的双片层的纳米孪晶Cu具有超过1 GPa的屈服强度和高达14%的断裂伸长率，这与纳米孪晶Cu在相同晶粒尺寸下的屈服强度约为400 MPa，断裂伸长率约为2-3%形成鲜明对比[1]。这些发现提出了几个基本的材料科学问题。在这期杂志俱乐部的问题中，我希望强调其中的一些问题和一些在一定程度上推动了纳米孪晶金属领域研究的关键论文。

纳米晶金属被定义为晶粒尺寸范围小于100纳米的金属。纳米晶化的诸多优点包括，超高的屈服强度，优异的抗疲劳和耐磨性，以及在低温和/或高应变速率下可能的超塑性成形性。这些优异的性能是由于晶界(GBs)阻止了晶格位错运动，从而使小晶粒尺寸的塑性变形变得困难。因此，纳米晶金属也表现出其粗晶对应物的霍尔-佩奇强化特性。然而，随着对控制变形机制的进一步深入了解，他们也揭示了一些严重限制纳米结构所能实现的增强性能的问题。如前所述，严重影响纳米晶金属实际应用的一个主要问题是，它们的延展性通常限制在单轴伸长率的几个百分点，并且随着晶粒尺寸的减小而进一步降低。此外，当晶粒尺寸低于100 nm时，变形机制发生了根本性转变，因为GB介导的过程，如GB的缺陷形核和GB滑动，成为主导。在其他后果中，这会导致不希望的晶粒不稳定性，正如应力诱导的晶粒生长所表明的那样，这最终导致强度的损失，并可能导致纳米晶化的其他好处。

几年前，Lu等人进行了一项特别有趣的实验研究[1]，旨在通过在晶粒尺寸为几百纳米的超细结晶金属中引入相干孪晶界(CTBs)，设计一种用于面心立方(fcc)金属纳米结构的新技术(图1)。每个晶粒内的孪晶片厚度范围在20-100纳米之间。这些被称为纳米孪晶结构，并表现出超高屈服强度、延展性、高应变率灵敏度和导电性等非凡性能，优于纳米晶结构，如图2和3所示。这激发了人们对纳米孪晶fcc金属的极大兴趣，并使其成为广泛实验和理论研究的主题。由于最终目标是深入了解控制纳米孪晶fcc金属行为的变形机制，并为其优化设计提供具体途径，因此推动这些研究的关键问题如下:

纳米孪晶结构是fcc金属中强度、延展性和稳定性的最佳结构吗?

-纳米孪晶金属的性能是否有一个临界孪晶厚度?

迄今为止进行的大量研究表明，与大多数gb相比，CTBs具有非常高的抗剪强度，并且也是位错运动的有效屏障。这导致了一种类似于GBs的强化机制。然而，CTBs的一个独特之处在于双平面也是fcc金属的滑移面，这使得它们能够通过吸收位错来适应大的塑性应变，从而提高延展性。此外，近年来的研究还表明，纳米孪晶金属在变形条件下具有相当的稳定性。

图1:具有随机取向晶粒的纳米孪晶沉积Cu样品的TEM显微结构图[1];

图2:纳米孪晶Cu、纳米晶Cu(平均晶粒尺寸~ 30 nm)和粗晶多晶Cu(平均晶粒尺寸> 100 μm)的拉伸应力-应变曲线[1];

图3:纳米晶Cu和纳米孪晶Cu的屈服强度、失效延伸率和速率敏感性对比图[2];

最后，我想介绍以下三篇试图解决上述一些关键问题的论文:

[1]卢磊，沈勇，陈晓霞，钱丽丽，卢克奎，“超高强度和高电性”
铜的导电性”，《科学》304(2004)页422。

[2]卢凯，卢丽丽，“纳米尺度下材料内部边界的工程设计”，科学通报，2009,p. 349。

[3]李晓霞，魏勇，卢亮，高宏，“位错核对纳米孪晶材料的软化和最大强度的影响”，《自然》(2010)，p. 877。

如前所述，Lu et. al[1]的论文介绍了fcc金属中孪晶界强化性能的实验研究。Li等人[3]的论文是最近的一项工作，通过模拟，提供了一个有趣的见解，在最近的实验中也观察到在临界双片层厚度以下开始软化。在这个约15 nm的临界间距下，研究表明从Hall-Petch型强化过渡到由平行于双平面的位错成核和运动控制的机制。最后，Lu等人[2]的论文是最近对纳米孪晶金属的强度、延展性和失效容限的变形机制的简要回顾，并讨论了一些挑战和悬而未决的问题。