2016年8月期刊俱乐部:纳米晶体力学行为前沿

作品简介:

纳米晶材料可以宽泛地定义为具有小于100纳米的平均晶体或晶粒尺寸。这种小晶粒尺寸意味着材料内部的晶界密度极高，导致位错运动困难(许多工程材料塑性的主要载体)和高屈服强度，以及其他性能的提高，如高磨损和抗疲劳。纳米晶体材料已经在许多技术应用中得到实现，如MEMS器件和保护涂层，这些应用需要的材料相对较少，目前的工作通常集中在将生产规模扩大到批量。

这类高强度材料是材料科学家和力学家的一个有趣的集结点，因为它们的发展已经取得了重大进展，但重要的问题仍然悬而未决。万博体育平台在本次iMech万博manbetx平台anica期刊俱乐部中，我希望通过指出两个需要创新和进一步研究的重要领域来引发讨论。第一个是我所说的与理解和建模基本变形物理有关的“基本”问题，而第二个是一个更“实际”的问题，它涉及到获得力学性能的有益组合的需要。在每个领域，我将讨论目前正在实施的战略，但也强调我认为我们的社区可以应对的开放挑战。我鼓励读者提出并讨论该领域的其他开放机会，并从文献中介绍重要的例子。我会尽量介绍重要的文学作品，并提出一个平衡的观点，但任何一个列表都是不完整的，我们可以一起做得更好。

基本问题:变形机制建模

作为机万博体育平台械师，当我们能观察到材料行为的大趋势，并提出可以用来预测新假设材料性能的微力学模型时，我们是最强大的。这样的预测定律可以让材料科学家创造出更好的材料，并实现新技术。将材料微观结构与力学性能联系起来的最著名的尺度定律之一是霍尔-佩奇关系，它将晶粒尺寸与材料的屈服强度联系起来。霍尔-佩奇关系是基于低碳钢屈服观察的经验定律，它表明屈服强度应与晶粒尺寸的平方根的反比成正比。随着晶粒尺寸的减小，晶界密度的增大，强度迅速上升。这一现象背后的物理解释还不是很清楚，相互竞争的理论提出了各种各样的机制，如位错在边界处堆积，晶界作为位错的来源，以及几何上必要的位错以保持晶体之间的相容性的必要性。科尔德罗等人最近的一篇论文对霍尔-佩奇效应进行了批判性的回顾。即使存在这些挑战，Hall-Petch标度强调了位错与晶界的相互作用是重要的，并给出了一个预测标度定律，可以为发现高强度材料提供指导。

霍尔-佩奇预测了纳米晶体材料的巨大优势，但事实上，当晶粒尺寸达到这个范围时，比例定律就失效了。随着晶粒尺寸的减小，仍会发生强化，但与Hall-Petch预测的晶粒尺寸的缩放不完全相同。在非常小的晶粒尺寸，通常~10-15 nm[2]，观察到一个完全的转变，观察到强度的平台，甚至材料随着晶粒进一步细化而减弱。这些晶粒尺寸的新趋势的出现是因为新的变形物理学开始控制塑性。与传统的晶粒内位错堆积不同，出现了与晶界密切相关的机制。一个例子是晶界位置[3]产生的位错的发射、钉住和吸收。另一种机制是颗粒之间的旋转和滑动。最后，边界本身也可以在压力下迁移，运输材料并赋予塑性应变[5]。对于这些机制中的每一种，必须制定新的本构定律来描述塑性变形，并确定性能如何与微观结构连接。例如，普渡大学Marisol Koslowski的研究小组一直在使用相场位错动力学方法来描述纳米级晶粒结构中的位错成核和滑移[6,7]。 In this technique, the gamma surface (which describes stacking fault and other defect energies) is used to ensure that the correct balance of full and partial dislocation activity is present in different materials. An example of such a simulation is shown in Figure 1, where dislocation activity can be observed to begin in one grain then spread throughout the microstructure. This tells us that the dislocation nucleation events are not independent, but can be biased by plasticity in a neighboring crystal. However, as mentioned previously, there are multiple deformation mechanisms that can be active in this grain size range. Patric Gruber’s research team at the Karlsruhe Institute of Technology recently reported a synchrotron-based in situ compression experiment on nanocrystalline Ni with a 30 nm grain size [8]. Using this technique, they were able to estimate that their nanocrystalline sample’s overall deformation was comprised of 40% intragranular dislocation plasticity, 15% grain boundary migration, and 45% grain boundary mediated deformation such as grain rotation and sliding. One of their summarizing plots is shown in Figure 2. What stands out is that the different mechanisms are active at different applied strains. As such, the numbers above can be a useful estimate but the relative contributions should be constantly evolving as more strain is applied. To complicate matters even further, these grain boundary-mediated mechanisms can be strongly affected by seemingly minor alterations like impurity content. An important recent paper that discusses this point comes from research led by Dan Gianola at the University of California Santa Barbara [9]. Using a combination of in situ nanoindentation within a transmission electron microscope and atom probe tomography, these researchers found that the mechanics and kinetics of boundary migration could be directly tied to the oxygen impurity content at an interface. This means that any micro-mechanical model for nanocrystalline plasticity must be able to describe new physical mechanisms in a robust fashion, account for the relative contribution of the competing mechanisms, and also treat the complexities associated with other structural features beyond grain size. This brings us to our first challenge/discussion point:

挑战1:

开发可以同时处理所有可能机制的微观力学模型，同时纳入微观结构测量，如晶粒尺寸、杂质含量、纹理、残余应变等。

图1。纳米晶粒结构在应变速率为1 × 106 s-1时发生形变。黄色区域为局部位错滑动，灰色区域为完全位错滑动。取自[6]。

图2。(a,b)原位压缩实验中的重要x射线衍射参数，以及(c)活动变形机制示意图。取自[8]。

实际问题:平衡强度和延展性

纳米晶金属具有极高的强度，但这几乎总是伴随着延展性的急剧下降。事实上，纳米晶金属的强度和延展性几乎总是相互排斥的特性，这是一个总的趋势。一个人可以有强烈但看似脆弱的反应，也可以有柔软而有韧性的行为。来自纳米晶材料的断口表面显示出韧窝破裂的证据，这是纳米尺寸的晶粒本身能够维持塑性的标志。然而，每个晶粒的这种内在延性并不能转化为宏观或外在延性。大多数结构材料都需要可观的延展性，以避免灾难性的失效。延展性响应也有助于加工任务，在这些任务中，成型通常需要塑性流动。

近年来，为了克服这一挑战，人们推出了许多新的策略。首先取得成功的是纳米孪晶微结构的使用。纳米孪晶金属通常由直径为500-1000 nm的晶粒组成，其中包含平均间距为5-100 nm的孪晶边界，中国科学院陆柯课题组的工作[10,11]证明了这一点，如图3(a)所示。这种独特的微观结构允许软变形和硬变形模式，分别平行和垂直于孪晶界。然而，根据定义，这种策略仅限于那些可以维持大量孪生边界的材料。这通常与材料的层错能有关，值越低越好，这就是为什么Cu是初始模型系统。德克萨斯A&M大学/普渡大学的张兴航研究小组采用了一种新的策略来克服这一限制，他们使用了低层错能材料的模板层，在Al(一种高层错能材料)的高度孪生膜[12]上播种。另一种策略是最近发展的梯度纳米结构材料，其晶粒尺寸从组件表面的纳米级平滑地变化到内部[13]的微米级，如图3(b)所示。研究发现，这种类型的微观结构在整个材料中诱导宏观应变梯度，导致额外应变硬化和延迟破坏[14]。最近的一项创新甚至将这一概念与添加纳米孪晶的想法结合起来，以制造一种在微观结构[15]中有孪晶边界梯度的材料。 In a sense though, this is still balancing the strength and ductility of your overall material. A soft coarse-grained interior is necessary, so the overall strength of these gradient materials is often below the nanostructured reference. Finally, my research group at the University of California Irvine is pursuing a strategy of adding features called complexions at the grain boundaries that can easily absorb incoming dislocation and delay crack nucleation [16]. Complexions are thermodynamically-stable interfacial structures and they offer a way to tailor the level of structural order at a grain boundary in a controlled manner. We recently were able to induce these features in a nanocrystalline Cu-Zr alloy, obtaining a material that was an order of magnitude more ductile than pure nanocrystalline Cu while also being stronger [17]. This was accomplished by adding structurally disordered or amorphous complexions to a nanocrystalline grain structure, as shown in Figure 3(c). All of these examples rely on different physical principles but have achieved some success. We come to our second challenge/discussion point:

挑战2:

优化这些新策略，以获得坚固而具有延展性的纳米晶体材料，甚至开发更有前途的新途径。

图3。(a)从[10]中获取的纳米孪晶铜样品示例。(b)梯度纳米结构材料，如[14]中报道的，具有从纳米级颗粒到微米级颗粒的梯度。(c)纳米晶Cu-Zr无序肤色的例子，取自[17]。

总结

上述挑战和论文仅代表了纳米晶体力学行为领域可能研究方向的一个小例子，但它们对于突出该领域的跨学科性质具有指导意义。固体力学家对万博体育平台于创建新的微力学模型来解释在这些材料中观察到的新的变形物理是必不可少的。然后，材料科学家可以假设哪些新材料可能具有改进的性能，并进行头脑风暴，提出新的材料设计概念。那些专注于材料加工的人可以将这些新型微结构带入生活。为了推动这个领域向前发展，请阅读上面的文字，同时也成为一个积极的参与者。在下面的评论中，请随时推荐该领域的其他优秀论文，确定额外的挑战和重点领域，或者甚至帮助我们确定未来创新的速率限制步骤(表征、处理、属性测量等)。

参考文献

1.科尔德罗，Z. C.奈特，B. E.舒赫，C. A.。“六十年的霍尔-佩奇效应——纯金属晶粒尺寸强化研究的调查。”Int。板牙。Rev.， 1-18，(2016)。

2.特列维茨，J. R.，舒，C. A.。“纳米晶金属的霍尔-佩奇击穿:玻璃样变形的交叉。”学报55,5948-5958，(2007)。

3.布兰德尔，C.德莱特，P. M.和范·斯威根霍文，H.。纳米晶铝中位错介导的塑性:最强尺寸。上一次。同时。板牙。科学。英19，(2011)。

4.王永斌，李宝强，隋明良，毛世祥。纳米晶镍中变形诱导的晶粒旋转和生长达成。理论物理。let . 92, 011903，(2008)。

5.莱格罗斯，M，吉安诺拉，D. S.海姆克，K. J.。应力纳米晶铝薄膜中快速晶界运动的原位透射电镜观察。学报56,3380-3393，(2008)。

6.曹，L.，科斯洛夫斯基，M.。纳米晶镍的限速塑性变形。j:。物理学117,244301，(2015)。

7.曹，L.， Hunter, A.， Beyerlein, I. J.和Koslowski, M.。“部分介导滑移在三维纳米晶金属准静态变形中的作用。”固体力学与物理学报78,415-426，(2015)。

8.Lohmiller, J.等人。纳米晶镍中位错的解缠和晶界介导的塑性。学报，65,295-307，(2014)。

9.他,M.-R。et al。“将应力驱动的纳米铝微结构演化与氧的晶界掺杂联系起来。”自然通讯7,11225，(2016)。

10.陆，李，陈，X，黄，X，陆，K。“揭示纳米孪晶铜的最大强度”科学323,607-610，(2009)。

11.卢丽丽，沈玉芳，陈晓华，钱丽华，卢凯。“铜的超高强度和高导电性。”科学304,422-426，(2004)。

12.布福德等人。高叠错能铝中高密度生长孪晶的形成机制材料科学学报(自然科学版)(2013)。

13.陆,K。“利用梯度使强纳米材料具有延展性。”科学学报(自然科学版)34,1455 -1456 (2014)

14.吴霞，蒋平，陈林，袁飞，朱彦涛。“通过梯度结构进行非凡的应变硬化。”Proc。国家的。学会科学。USA 111, 7197-7201，(2014)。

15.魏，Y.等。“通过梯度分层纳米孪晶来避免钢中的强度-延展性权衡困境。”自然通讯5,3580，(2014)。

16.潘z和鲁伯特t J。作为增韧结构特征的非晶态晶间薄膜。学报，89,205-214，(2015).使用本文

17.Khalajhedayati, A, Pan, Z.和Rupert, T. J。“通过操纵纳米材料的界面结构，实现强度和延展性的独特结合。”自然通讯7,10802，(2016)。