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西安交大《Acta Mater》首次构建亚微米级铝的变形机制图!

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众所周知,室温下许多微米和纳米级金属晶体呈现出“越小越强”的趋势,其强度接近理想需求样品。如何在不影响高强度的情况下控制晶粒的破裂,以实现平稳,可控的塑性流动,是纳米力学工程中的一个挑战。从理论上讲,加热是一种通用的方法,可以在包括微米级和纳米级在内的所有尺寸范围内提高材料的延展性。为了确定工艺参数需要参考变形机制图(DMM),DMM能够描绘温度,应力和晶粒尺寸在不同组合下的主要变形机制。但是,现有的DMM不适用于尺寸小的材料。对于这些材料,尽管有各种应用迫切需要,但还没有这种DMM。

西安交通大学单智伟教授团队和美国麻省理工学院李巨教授团队等人首次通过实验构建了亚微米级纯铝的DMM。构造的两种DMM分别为应力-温度和应力-试样尺寸关系。该DMM可用于识别主要的变形机制、机制转变的临界条件、以及在特定温度和应变率下材料的最大尺寸。相关论文以题为“Deformation mechanism maps for sub-micron sized aluminum”近期发表在Acta Materialia。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420301178

研究人员首先讨论了退火态纯铝纳米柱的压缩过程。研究发现当温度低于临界设定温度(Tc=275℃)时,退火的亚微米晶粒表现出随机变形行为。应力-应变曲线从弹性变形的直线部分开始,然后应变突然呈爆发状态。在整个弹性阶段,即使高应力下,材料仍保持原始状态,没有任何位错成核。当温度高于临界设定温度时,应力-应变曲线显示出三个不同的阶段,即弹性阶段,扩散可塑性阶段和位移可塑性阶段。

图1 在较低温度和较大尺寸下的典型随机型变形过程

图2 典型塑性变形过程

这篇文献也是微柱压缩实验 →改写教科书!燕大-浙大在位错滑移方面取得重要发现!

研究人员选择不同温度间隔下在较小尺寸和一定应变率范围内的纳米柱进行压缩并绘制应力-温度变形机理图。当设定温度大于275℃时,应力-应变曲线有两个特征应力值,即线性部分结束时的屈服应力和应变破裂开始的破裂应力。这两个应力值均随着温度的升高而减小。在应力-温度变形机理图中,存在三个主要变形机制不同的区域,即弹性区,扩散可塑性区和位移可塑性区。位移可塑性区域的下线由各种温度下的破裂应力值确定,而弹性区和扩散塑性区域之间的线由各种温度下的屈服应力值确定。该机理图用于区分主要的变形机制,并预测材料经特定温度-应力组合时变形模式的转变。

图3 应力-温度变形机理图

研究人员使用纳米柱直径与应力为轴构造了另一种应力-试样尺寸变形机理图。其中也包含由屈服应力线和扩散/位移过渡线分隔的三个区域。该图类似于应力-温度机理图,存在变形模式转变的临界大小,经实验确定为400nm。当试样尺寸小于400nm时,屈服强度随尺寸的减小而下降,这是由扩散塑性控制的。当尺寸大于400nm时,屈服强度随尺寸的减小而上升,此阶段由位移可塑性控制的。

图4 固定温度下的应力-应变曲线和应力-试样尺寸变形机理图

综上所述,研究人员在不同温度下对不同直径的单晶铝柱进行了系统的原位定量力学测试,探讨了变形机理的转变并构造了两种变形机理图。这两个新的机理图可用于识别主要的变形机制,机制的转变条件以及在特定温度和应变率下的最大试样尺寸。该机理图为后续研究中工艺参数的选取提供了一定参考。(文:破风)

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