2010年8月:纳米孪晶FCC金属的变形机制

虽然九十年代见证了对纳米晶金属超高强度的研究，但由于其脆性和结构稳定性的丧失，早期的热情遇到了严重的失望。相比之下，过去几年的研究提供了令人信服的证据，纳米孪生结构可能是设计高强度高延展性材料的最佳母题。事实上，含有20-100 nm厚度的双薄片的纳米孪晶Cu具有超过1 GPa的屈服强度，断裂伸长率高达14%，这与纳米晶Cu的屈服强度约为400 MPa，断裂伸长率约为2-3%形成鲜明对比。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刺激了纳米孪晶金属领域研究的关键论文。

纳米晶金属是指晶粒尺寸范围小于100纳米的金属。纳米晶体的许多好处包括，除其他外，超高的屈服强度，优异的疲劳和耐磨性，以及可能在低温和/或高应变率下的超塑性成形性。其中一些优异的性能是由于晶界(gb)阻止了晶格位错运动，从而使较小晶粒尺寸的塑性变形变得困难。因此，纳米晶金属也显示出其粗粒对应物的霍尔-佩奇强化特征。然而，随着研究进展导致对控制变形机制的进一步了解，他们也揭示了一些严重限制通过纳米结构实现增强性能的问题。正如已经强调的那样，严重影响纳米晶金属实际应用的主要问题之一是，它们的延展性通常仅限于单轴延伸率的几个百分点，并且随着晶粒尺寸的减小进一步降低。此外，当晶粒尺寸下降到100 nm以下时，由于GB介导的过程(如GB的缺陷形核和GB滑动)占主导地位，变形机制发生了根本性转变。在其他后果中，这导致了不良的晶粒不稳定性，如应力诱导晶粒生长所示，最终导致强度的损失，并可能带来纳米晶体的其他好处。

几年前，Lu等人的实验研究开始了一个特别有趣的发展，旨在设计一种在面心立方(fcc)金属中进行纳米结构的新技术，通过在晶粒尺寸为几百纳米的超细晶金属中引入相干孪晶边界(CTBs)(图1)。每个晶粒内的孪晶片厚度在20-100纳米之间。这些被称为纳米孪晶结构，表现出超高屈服强度、延展性、高应变率敏感性和导电性的非凡性能，优于纳米晶体，如图2和3所示。这激发了人们对纳米孪晶催化裂化金属的极大兴趣，并使其成为广泛的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，并为其优化设计提出具体途径，因此推动这些研究的关键问题如下:

纳米孪晶结构是fcc金属中提高强度、延展性和稳定性的最佳结构吗?

-纳米孪晶金属的性能增强是否存在临界孪晶层厚度?

迄今为止进行的大量研究表明，与大多数gb相比，CTBs具有非常高的剪切强度，也是位错运动的有效屏障。这导致了一种类似于gb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，最近的研究也表明，纳米孪晶金属在变形下是相当稳定的。

图1随机取向晶粒为[1]的纳米孪晶沉积态Cu样品显微组织TEM图像;

图2:孪晶间距为20 ~ 100 nm时，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)[1]的拉伸应力-应变曲线;

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

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]卢良，沈勇，陈旭，钱良，卢凯，“超高强度高电性
《科学》304(2004)页422。

[2]吕凯，吕丽娟，苏雷什，“纳米尺度内相干内部边界工程强化材料”，科学324 (2009)，p. 349。

[3]李晓霞，魏玉玉，吕亮，高海辉，“位错形核控制的纳米孪晶金属的软化和最大强度”，自然科学(2010)，p. 877。

如前所述，Lu等[1]的论文对fcc金属中孪晶界的强化特性进行了实验研究。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临界双片层厚度以下的软化开始。在约15 nm的临界间距处，研究表明从Hall-Petch型强化过渡到平行于双平面的形核和位错运动控制的机制。最后，Lu等人[2]的论文是最近对控制纳米孪晶金属强度、延展性和容错性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。