纳米孪晶金属塑性变形机制

《纳米孪晶金属塑性变形机制》读后感通过对《纳米孪晶金属塑性变形机制》的学习，了解到纳米孪晶金属塑性变形的位错机制和强化原理，对纳米孪晶的力学性能、各向异性有了新的认识。论文主要研究了低能态共格孪晶界这一新型的强韧化效应，不同于晶界强化的是孪晶界附近可提供丰富的位错存储空间，因此有优异的综合力学性能。然后利用有关纳米孪晶金属力学行为和塑性变形机制，对fcc孪晶金属的可动滑移系分析，研究纳米孪晶结构的3类典型位错机制、性能特点及特殊的塑性变形各向异性，调控微观变形机制而实现宏观力学性能设计。

材料中纳米尺度孪晶界可以通过多种技术制备获得，如利用电解沉积、磁控溅射沉积、塑性变形或退火再结晶等工艺均可在金属中产生纳米尺度孪晶。卢磊通过脉冲电沉积技术制备出含有高密度纳米孪晶的纯Cu样品，是一种有大量纳米到亚微米量级的生长孪晶的电解沉积铜。孪晶界是一种特殊的低能态共格晶界，孪晶界两侧的晶格呈镜面对称。同普通大角晶界相似，孪晶界可有效地阻碍位错运动，从而使材料强化。孪晶铜中大量的生长孪晶把晶粒分割成具有纳米尺度的孪晶基体的片层状结构，并且孪晶薄层的厚度越小材料的强度越高、延伸率越好。

纳米孪晶金属有独特的塑性变形机制，在超细晶内生成纳米量级的孪晶片层形成纳米孪晶金属材料，其不仅具有很高的屈服强度，同时还保持较好的塑性。位错-孪晶界的交互作用决定纳米孪晶金属的宏观性能，而这本质上不同于多晶体材料中晶格位错以及位错-晶界

之间的交互作用。

塑性变形过程中共格孪晶界可有效阻碍位错，具有和普通晶界相似的强化作用。塑性变形由位错在12个等效的{111}<110>滑移系上滑动实现，其中缺陷的三维结构尺寸和界面特征是决定位错滑移的主要因素。当晶格位错滑移至晶界处会受到晶界的阻碍而形成应力集中，在外加应力下，局部应力集中随着位错的持续堆积而增大。当应力集中足够大时，新的位错从相邻晶粒内萌生，晶界处应力集中从而得以释放。然而，此过程中并未改变整体晶界的结构和能量状态。由于晶界的无序结构，位错难以沿晶界滑移，因此晶界容纳位错的能力有限，晶界强化的同时导致其塑性降低。

根据滑移系与孪晶片层的相对位向关系，用Thompson双四面体表示fcc金属基体和孪晶的滑移系，纳米孪晶金属滑移系分为3种类型：硬模式I，此时滑移面和滑移方向均倾斜于孪晶界；硬模式II，此时滑移面倾斜于孪晶界，而滑移方向平行于孪晶界；软模式，此时滑移面和滑移方向均平行于孪晶界。晶体取向、孪晶界取向、受力状态以及位错滑移临界应力的相对大小决定滑移系属于硬模式还是软模式。通过分析不同晶体取向和受力状态的Schmid因子就可以确定所对应的主滑移及其与孪晶界的位向关系，就能进一步确定位错滑移模式。

以Cu为例研究纳米孪晶金属的塑性变形机制。纳米孪晶金属塑性变形机制有3种，位错塞积并穿过孪晶界机制、不全位错平行孪晶界滑移机制、贯穿位错受限滑移机制。

孪晶界面可有效阻碍位错运动，孪晶界面上领先位错引起的应力集中与外加切应力以及位错塞积的数量成正比。随孪晶片层厚度减小，孪晶内部可塞积位错数量逐渐减少，位错穿过孪晶界所需外加应力提高。当孪晶片层变薄以至于位错塞积无法实现时，将需要非常高的外加应力促使单个位错穿过孪晶界当孪晶片层厚度小至纳米尺寸时，位错和孪晶的交互作用是实现材料强化的主要机制。塑性变形过程中，位错主要沿倾斜于孪晶界的{111}滑移面向孪晶界运动，但最终因孪晶界阻滞效应而在孪晶界附近塞积。随着变形的增加，塞积群的领先位错在应力集中驱动下与孪晶界反应而穿过孪晶界进入下一个孪晶片层。

当位错穿过孪晶界时，根据入射位错的性质和类型不同，在孪晶界上可能产生可滑移位错、固定位错或位错、相邻孪晶片层内的层错等。在外力作用下，当一个扩展螺位错与共格孪晶界相遇时，该位错可直接穿越孪晶界，在孪晶界上无任何残留Burgers矢量。而当一个非螺位错与孪晶界相遇则可分解为进入孪晶的不全位错和留在孪晶界上的不全位错。如果穿越滑移不完全，孪晶界上也会暂时形成不可动的压杆位错，直到扩展位错后端的不全位错通过，孪晶界会吸纳其反应产物——不全位错，并且滑移造成孪晶界迁移。该过程可有效释放变形产生的应力集中，使孪晶界容纳可观的塑性应变，而交互作用在孪晶界上产生的其它不可动位错、层错等则使孪晶的共格关系被逐步破坏。因此，孪晶界不但可以阻碍位错运动，同时又可以吸纳位错从而承受较大塑性形变，这一点本质上不同于变形过程中传统大角晶

界的作用。当平均孪晶片层厚度小于15nm时，样品屈服强度反而随孪晶片层厚度减小而降低，而加工硬化率和拉伸塑性始终随孪晶片层厚度减小而单调增加。当孪晶片层厚度小于某一临界尺寸，Shockley 不全位错亦可能直接从孪晶界与晶界交接处形核，并倾向于沿孪晶面向晶粒内部运动。在这种情况下，位错晶界形核过程主导材料的强度和塑性变形。

在<111>织构纳米孪晶中可以观察到横跨于相邻孪晶界且贯穿整个孪晶片层的几组位错，当外加应力平行于孪晶界时，位错形核后倾向于沿相邻孪晶界所构成的纳米片层通道向晶粒内部运动，并最终在晶界处塞积。这种特殊的位错行为多见于纳米多层膜或薄膜材料，一般称之为贯穿位错。在超细晶粒内部引入随机纳米孪晶可以同时获得高强度和良好塑性，单纯引入高密度孪晶并不能保证良好的强塑性匹配。当拉伸方向平行于孪晶界时，主导塑性变形的位错机制转变为贯穿位错在纳米孪晶片层内平行于孪晶界的受限滑移。这种特殊的位错运动过程，不但减少了不可动位错在孪晶界的积累，降低加工硬化率，同时由于位错倾向于在晶界附近聚集，也导致晶界区域发生更大的塑性变形和动态回复。硬模式II滑移系及贯穿位错受限滑移机制的开动显著影响样品整体的加工硬化，是导致柱状纳米孪晶金属有限拉伸塑性的主要原因。

在纳米孪晶塑性变形过程中，位错与孪晶界反应在孪晶界上形成可动不全位错，或不可动位错或位错锁，或者在邻近孪晶内发射位错或形成层错等，造成位错在孪晶界上滑移、塞积、增殖，使孪晶逐渐

失去共格性，从而协调变形，有效提高材料的综合力学能力。纳米孪晶金属的塑性变形具有明显的尺寸效应。材料的塑性变形行为包括强度、塑性、加工硬化、应变速率敏感指数、变形激活体积等，均与孪晶片层厚度有很好的依赖关系。随孪晶片层厚度减小，塑性变形的主导机理将从孪晶层片内部位错运动逐渐向孪晶界面协调的位错运动转变。当孪晶片层厚度小于临界尺寸时，其主导变形机理发生改变。此时样品的初始微观结构、预存缺陷密度等均有可能直接影响其变形，位错的形核及运动在塑性变形过程也可成为主要机制。纳米孪晶结构具有典型的各向异性，倾斜和平行孪晶界的位错滑移因特征尺寸的不同而遇到明显不同的阻碍(尺寸效应)，这直接导致12个滑移系不再相互等效。具有择优取向纳米孪晶的纯Cu样品显著的力学各向异性不仅与其较强的<111>织构有关，更可能源自微观结构上位错与孪晶界的交互作用的取向依赖性。在柱状纳米孪晶Cu中，拉伸方向平行于择优取向孪晶界导致硬模式II滑移系优先启动并主导其拉伸塑性变形。不同方向的压缩实验有助于进一步理解不同滑移系类型的开动对纳米孪晶金属的强度、塑性和加工硬化行为的影响。通过对柱状纳米孪晶金属沿-z和-(z+x)方向压缩时变形方向与孪晶界分别呈90°和45°夹角做实验，研究结果显示，柱状纳米孪晶金属相对于孪晶界90°，0°和45°塑性变形中开动的滑移系分别属于硬模式I，硬模式II和软模式。加载方向的变化可以显著影响纳米孪晶金属的屈服强度和加工硬化行为。90°压缩和0°压缩，样品强度较高，硬化能力较低；45°压缩使样品屈服强度较低，但是样品屈服后表现出较强的加工硬化能