纳米孪晶强化

实线—孪晶强化 虚线—细晶强化
2.6纳米孪晶的断裂机制
• 下图为不同密度纳米孪晶的裂纹扩展速率随△K（应力强 度因子范围）的变化趋势。图中表明随着纳米孪晶密度的 增加，其裂纹扩展门槛值△Kth增加，而且裂纹稳态扩展的 速率降低。由da/dN曲线计算得到的纳米孪晶铜的断裂韧 性值也随孪晶密度的增加而增加。
2004年4月出版的《科学》周刊上，中科院沈阳金 属研究所的卢柯课题组经过数年潜心研究发现了一 种新型纳米结构——纳米孪晶。他们在纳米孪晶铜 中获得超高强度和很高的导电率，这是在普通材料 中难以获得的性能组合。 因为传统强化技术在提高材料强度的同时均会使 材料的塑性或韧性及导电性显著下降.而纳米孪晶高 导电率的原因是：孪晶界的电阻比普通晶界的电阻 低近一个数量级,大量孪晶界的存在对电子的散射极 小。
当 孪 晶 铜 片 层 厚 度 (λ) 从 100nm 减 小 至 15nm时，材料强度显著提高,达到最大值.其 屈服强度随 λ 的变化趋势与细晶强化中纳米 的Cu强度随晶粒尺寸d的变化趋势一致，均 遵从Hall-Petch关系。
然而，当 λ 减小时，纳米孪晶 Cu 样品的 拉伸塑性也显著增加. λ =15nm时，其均 匀应变可达13%.这与传统强化方法在纳 米尺度上当晶粒尺寸减小时塑性降低的 规律正好相反.这表明纳米孪晶强化与传 统的强化技术截然不同.
纳米孪晶强化
组号：18
组员：王童，廖鸿歆，王庆航
1传统的材料强化方式
传统材料的强化通常是在材料内部引入各种缺陷以阻碍位错运动来实现， 如固溶强化、弥散强化、细晶强化和应变强化等，但这些传统的强化途径 无可避免地会影响材料的塑性形变能力，导致塑性和韧性的降低
传统强化方式示意图
2.1纳米孪晶强化简介
阴极：铁板 电解液：成分主要有CuSO4·5H2O, (NH4)2SO4组成
得到的孪晶铜（如下图所示），可以看出沉积层表面的大部分区域致密平整， 呈镜面般光亮的金黄色泽。

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塑性为什么会提高？
位错与孪晶界间的反应十分复杂，以Cu为例，在外力作用下，当一个螺位错 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柏氏 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肖克利不全位错 和留在孪晶界上的肖克利不全位错。孪晶界会吸纳留在孪晶界上的肖克利不全 位错 (Shoekley partial disloeation ) ，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。 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，使材料呈现较高的塑性。这一点本质上不同于变形过程中传 统大角度晶界的作用
初始塑性变形 强wenku.baidu.com提高
提高 应力
进一步的塑性变形
孪晶片层变薄，内部位错塞积减少。 应力集中减小 孪晶强化机制
2.2纳米孪晶位错滑移机制
以面心立方金属为例，介绍纳米孪晶 位错滑移机制。 fcc 金属基体和孪晶的滑移系通常可用 Thompson双四面体表示. 滑移系与孪 晶片层的相对位向关系如右图所示。 纳米孪晶金属滑移系分为以下3种类型: (1)硬模式I, 滑移面和滑移方向均倾 斜于孪晶界; (2)硬模式II, 滑移面倾斜于孪晶界, 而滑移方向平行于孪晶界; (3)软模式, 滑移面和滑移方向均平行 于孪晶界.
肖克利不全位错
2.5纳米孪晶的应力敏感性
应变速率敏感指数(m)是决定材料塑性变形的基本参量。高密度纳米 孪晶与细晶强化一样会导致材料应变速率敏感性的增加，孪晶密度 越高(或入减小)，m越高(如右图所示).当孪晶片层厚度为15nm时， 其室温m值约为0.037(比普通粗晶Cu的m值高9倍)。
m & t k
卢柯 卢柯
一般说来,共格孪晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到一定程度的强 化。但是,微米或亚微米尺度的孪晶,其强化效果并不显著,只有当孪晶片层 细化至纳米量级时才开始表现出显著的强化效果和其他的特性。
纳米孪晶材料的高强度、高塑性和高加工硬化能力均源于位错与 高密度孪晶界面的有效交互作用，塑性变形时,随孪晶片层减小, 孪晶内部可塞积位错数量减少,位错穿过孪晶界所需外力提高(强 化材料)，同时,位错与孪晶界反应在孪晶界上形成大量位错(可动 或不可动)并在孪晶界上滑移、塞积、增殖,从而实现加工硬化,协 调塑性变形(韧化材料),有效提高其综合力学性能。
UFG Cu-超细晶铜 LDNT-低密度纳米 孪晶铜 HDNT-高密度纳米 孪晶铜
2.7纳米孪晶的制备方法
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电解沉积 法（根据 电源的不 同可分为: 直流和脉 冲。
磁控溅射 沉积法
塑性变形 或退火再 结晶法。 典型工艺： 等通道转 角挤压、 高速扭转
动态塑性变形 技术
哈尔滨工程大学制备纳米孪晶铜的实验 电源：SMD-30数控电源，能够直流和脉冲两种方式供电 阳极：纯铜板
对于硬模式I和II,滑移面倾斜于孪晶界, 位错滑移受到孪晶界限制,承受较大阻力. 而软模式中, 位错平行孪晶界或沿孪晶界滑动,孪晶界的阻碍作用很弱. 在塑性变形过程中, 启动的滑移系属于硬模式还是软模式取决于多种因素, 如 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.
2.3纳米孪晶的位错
• 通过不同方向的加载，导致不同的滑移机制开动，进而可 以产生不同类型位错，所以样本的力学性能和加工硬化效 果也就不同了。 • 实验结果表明，压缩方向垂直和平行孪晶界加载时, 样品 具有较高强度和有限加工硬化率；而45°倾斜于孪晶界加 载样品表现出较低的屈服强度和明显的加工硬化。
2.4纳米孪晶的强度与塑性
• 由于位错不同滑移机制，使得纳 米孪晶金属中产生四种不同类型 的位错。 类型1：孪晶上的肖克利不全位 错； 类型2：孪晶界上的不可动位错 锁； 类型3：与孪晶界相交的扩展层 错； 类型4：孪晶片层内的受限位错。
其中类型1和类型4位错是可动位错，主要贡献材料的塑性，而类型2和类型3位 错是不可动的，主要贡献材料的加工硬化。