层状金属结构材料原子尺度界面结构与性能

曾 帅1，郑士建2* ，马秀良1
（ 1．沈阳材料科学国家研究中心，中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016； 2．天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室，材料科学与工程学院，
河北工业大学，天津 300130）
摘 要 通常纳米晶金属材料晶界上原子呈无序排列，晶界能高，因此纳米晶金属材料的热稳定性很差。研究
近年来，界面调控逐渐成为改善纳米晶金属结 构材料综 合 性 能 的 重 要 途 径［11－ 15］。 孪 晶 界 作 为 典 型的共格界面在调控材料性能方面发挥了重要作 用［16－20］。在纳米孪晶铜中，孪晶界不但具有界面能 低、电阻率 低 的 优 点，还 可 以 在 一 定 程 度 上 阻 碍 位 错运动，并 与 位 错 反 应 促 发 位 错 增 殖，从 而 在 纳 米 孪晶铜中同 时 实 现 了 高 导 电 率、高 强 度、高 塑 性 和 高热稳定性［17，21－22］。此外，小角晶界作为典型的半 共格界面对提高金属材料硬度和热稳定性也具有 显著的效 果［23－ 24］。 超 高 速 剪 切 变 形 可 以 使 块 体 纯 镍试样的表层生成纳米层状结构。这种结构中存 在的低角度界面一方面能够有效阻碍位错运动，从 而显著提高材料的硬度，另一方面由于这些低角度 界面相比于传统晶界具有更低的过剩能以及迁移 率，此层状结构具有更好的热稳定性［24］。层状金属 复合材料因其本身具有很强的设计性，例如组元的 选取和层厚的控制，因此层状金属复合材料有利于 充分发挥界面对性能的调控优势［25－30］。Cu、Nb 两 种金属分别作为典型的 FCC 和 BCC 材料，可以形 成具有代表性的异质界面； 另外，Cu 和 Nb 这两种金
1 Cu-Nb 复合材料的界面结构
1. 1 Cu-Nb 复合材料的半共格界面 Zheng 等［32］通过单向叠加轧制法，在室温无退
火条件下将初始厚度分别为 1 mm 的铜（ Cu） 和铌 （ Nb） 板（ 图 1a） 轧制成单层 10 nm 的多层 Cu-Nb 复 合板材（ 图 1b） 。目前此类板材的厚度为毫米级，长 和宽可达到米级，是已知的单层厚度最小（ 10 nm） 的块体板材，可以满足多种尺寸以及大批量生产的 工程需求。
关键词 纳米层状复合材料； 界面； 位错； 热稳定性； 核辐照损伤
中图 分 类 号： TB33； TB383； O76； O77； TG115. 21+ 5. 3
文 献 标 识 码： A
doi： 10. 3969 / j． issn． 1000
－6281. 2019. 05. 020
金属结构材料由于其优异的力学性能在当今 社会中发挥着不可替代的作用。然而，经济和社会 的高速 发 展 带 来 的 能 源 和 环 境 问 题 也 日 益 严 峻。 为了严格贯彻可持续发展战略，我国制定了国家科 技中长期发展规划。规划中涉及的装备制造、航空 航天、交通 运 输、核 能 核 电 等 都 对 金 属 结 构 材 料 提 出了更高的要求。纳米晶金属材料由于晶粒尺寸 小晶界密度高而产生了不同于粗晶材料的独特性 能［1－4］。经过国内外大量研究发现［1，5－7］： 纳米晶金 属材料中的高密度晶界可以有效阻碍位错运动，从 而可以显著提高其强度。然而，由于以位错滑移为 主的塑性变形受到了极大的抑制，因此纳米晶金属 材料塑性差。同时，纳米晶金属材料的高密度晶界 可以为辐照缺陷提供湮灭场所，所以其具有优异的 抗辐照损 伤 潜 力［8］。 但 是 晶 界 密 度 高 又 致 使 纳 米 晶金属材料的热稳定性显著不足［9－10］。单纯的改变 晶界密度难 以 同 时 实 现 高 强 度、高 塑 性、高 热 稳 定 性和优异的抗核辐照损伤性能，所以如何利用界面 工程提升金属结构材料综合性能成为了一个亟待 解决的科学问题。
收稿日期： 2019－06－23； 修订日期： 2019－07－13 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ No．51771201） ． 作者简介： 曾帅（ 1996－） ，男（ 汉族） ，湖南衡阳人，硕士． E－mail： szeng18s@ imr．ac．cn * 通讯作者： 郑士建（ 1980－） ，男（ 汉族） ，河北徐水人，教授． E－mail： sjzheng@ hebut．edu．cn
Zheng 等［32］经高分辨透射电子显微学研究 发 现，在经过如此大的塑性变形后绝大多数 Cu-Nb 界 面形成了具有确定取向关系的、原子级规则有序的 半共格界面（ 图 1c） 。Cu-Nb 界面取向关系呈现为 ｛ 112｝ Cu | | ｛ 112｝ Nb，〈111〉Cu | |〈110〉Nb，满足 KS 取向关系。层厚为 10 nm 时，Cu 层中观察到了大 量 Cu 孪晶。而且，Cu-Nb 层状复合材料表现出优异
发现通过界面调制作用制备纳米多层复合金属材料能够显著提高材料的热稳定性以及力学和抗辐照损伤等综合
性能。本文综述了通过叠加轧制法制备得到的多层 Cu-Nb 复合板材的界面结构与性能。由于材料内部高密度半
共格界面的调控作用，此层状材料具有优异的热稳定性和抗辐照损伤性能。例如，经 500 ℃ 退火 1 h 此层状材料
第 38 卷 第 5 期 2019 年 10 月
电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol. 38，No. 5 2019-10
文章编号： 1000-6281（ 2019） 05-0569-10
层状金属结构材料原子尺度界面结构与性能
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电子显微学报 J． Chin． Electr． Microsc． Soc．
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属不互溶，不 会 形 成 化 合 物，因 此 可 以 形 成 原 子 尺 度的明锐界面，便于研究界面效应［31］。本文结合了 作者所在课题组的研究工作，介绍了通过单向叠加 轧制的方法制备的多层 Cu-Nb 复合板材的半共格 界面结构以及半共格界面对材料变形机制、热稳定 性能、抗核辐照损伤性能的影响规律。
硬度基本不变。同时，本文对退火引起的层状材料的结构和力学性能演化机理做了系统分析。此外，辐照研究发
现当辐照剂量低时，界面的局部高能区域为空洞形核提供了有效位点； 当辐照剂量高时，界面可以显著抑制空洞
的生长并调控空洞分布特征。此结果为通过合理设计界面结构使材料同时实现高热稳定性，高耐辐照和优异的
力学性能提供了依据。