纳米材料力学性能
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
其中~0.3-0.5 对于fcc. 其中的 0 可以由 P-N
力表示. 强度与位错密度直接相关，加工硬化的机理
当位错源开动, 位错不断发 出, 但是,由于相邻晶体的 取向不同, 位错不能穿过晶 界达到相邻晶粒, 只能通过 在晶界处塞积,引起应力集 中,丛而激发相邻晶粒的位 错源开动, 形成多个晶体塑 性变形. 因此, 多晶体晶界 的存在, 成为位错运动的阻 力. 最著名的Hall-Petch式 表达了位错强化作用:
2.4 力学性能实验
拉伸试验在拉伸试验机美国MTS-810系统上完成，应变速率范围选 定从1.04×10-6到1.04 s-1之间变化。拉伸试样夹持采用自制夹具， 自制夹具与试验机的十字头夹具串联。延伸率通过试验机的十字头夹 具位移计算求得。板状拉伸试样尺寸如图2.2所示，标长8 mm，宽2 mm，厚度在0.3-2 mm之间。
普通多晶体材料的塑性变形是由位错在晶体的滑移 系 (滑移面上的滑移方向)实现的.
因此, 多晶体材料的塑性变形力学行为是由位错运 动行为决定或控制的.
位错的尺度和位错的运动决定了材料的力学
因此通过限制位错运动提高强度或者通过易于位错 运动改善材料的塑性
f
G
exp 12vab
位错运动的摩擦力 (P-N 力， Peierls，Nabarro)
1200
800
400
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Nominal engineering strain (%)
ln [
]
1% plastic strain
(b)
7.4
7.2
7.0
m =0.012 avg
6.8
6.6
-10 -8
-6
-4
-2
0
2
ln [strain rate]
XRD分析表明电沉积纳米结构材料Ni具有典型的(200) 织构。TEM观察显示这种材料由尺寸分布较宽的纳米晶 粒构成，晶粒尺寸变化从5到80 nm，且形成大小约 150-250 nm的晶粒团簇。统计得出这种材料的平均晶 粒尺寸约为43 nm。
对于一个刃型位错, 此式可以写成( lian Baudelet-1993)
其中 是应力转换因子(从剪切应力转换成拉伸应 力, 通常取2-3. Fcc-3.06,Bcc 2.78
当多晶体塑性变形发生在多个滑移系, 形成多滑移, 产生位错交割, 形成林位错(位错网格), 其滑移所需 的了可以有经典的位错密度公式表达:
P-N（派纳）力表明, 位错的运动最易于发生在密排面 和 密排方向上, 并由此构成滑移系, 因为在此滑移系统 上, .位错滑移的阻力最小.
(Mott 的解释)
一般的位错源阻力 写成:
其中, L是位错源长
度.由此可以看出, 位错源开动的力与 位错线长度成反比.
对于一个任意位错, 更精确的表达是 (J.P.Hirth, 1982) :
2, 细化晶粒强化
3, 固溶强化
4, 第二相质点强化 当然还有其他如: 孪晶强化, 非晶态强化, 等非位
错模式强化
纳米材料力学行为的几个主要特点:
高的(屈服和抗拉)强度. 较低的塑性, 韧性 提高的(enhanced) 应变速率敏感性
当材料的晶粒尺寸减小到几十纳米尺度时，H-P关 系的斜率会变小，但仍然保持正值[77, 78]。 Takeuchi[79]总结了众多科研人员，包括 Nieman[77]，Sander[20]，Choksi [80]和 Fougere[81]的纳米Cu和纳米Pb的硬度与晶粒尺寸 的关系，如图1.10所示。很明显的，对于纳米Cu， H-P关系的斜率随着晶粒尺寸的减小，逐渐的由正 值，变到零(没有明显的尺寸依赖性)，然后到负值。
图2.3 厚度为2 mm的 纳米块体材料拉伸试 样。
纳米NI显微结构
Number fraction &. volume fraction (%)
30 (C)
25
Number fraction
Volume fraction
20
15
10
5
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Grain size (nm)
图3.5 (a)电沉积纳米结构Ni在不同应变速率下的工程应力 应变曲线；(b) 1% 塑性应变时的流变应力与应变速率的 对数坐标图。
Nominal Engineering Stress (MPa)
(a)1.04E-4 1.04E-3 1.04E-2 4.17E-2 1.04E-1 1.04
wk.baidu.com
1
HP 0 Kd 2 0
K d
流动应力和晶粒尺寸1/2成反比.
若不考虑固溶强化和第二相质点强化, 上述四个表 达式可以基本描述多晶体金属的位错塑性力学行为. 由此还可知道, 加工硬化(通过增加位错密度 ,和 细化晶粒强化是强化材料的主要手段.
1, 位错密度强化(加工硬化, )
块状纳米材料是指由纳米尺寸的晶体组成 的多晶体材料, 通常将尺寸小于100纳米的 多晶体材料称为nanocrystalline materials, (nc) 而将晶体尺寸大于100nm, 小于1m的多晶体材料成为 submicrometer materials or ultrafine
grained materials (ufg), 传统微米级晶 粒尺寸的材料成为 coarse grained materials.
连建设在1993年采用单根位错线弯曲模型，提出了修正 的H-P关系式，解释了纳米Cu和Pd的硬度与晶粒尺寸的 关系。该模型首先假定纳米晶粒中只有单根的位错存在， 纳米材料的屈服应力直接与Frank-Read位错源的临界半 圆的构型相关联。根据经典的位错理论[101]和一些合理
的假设，得到屈服剪切应力 和硬度H 与晶粒尺寸 d 的关
系式，分别表示为公式(1.2)和(1.3)：
其中G是剪切模量，b是柏氏矢量，c和α为常数。理论模型中假设位错 线长度。由此可以得出，当晶粒尺寸比较大时，位错线长度L与b的比 值很大，公式(1.2)和(1.3)中的对数项趋于一个常数。但当晶粒尺寸减 小到纳米尺度时，即位错线长度和晶粒直径尺寸相当的时候，公式中 的对数项开始起作用。这个理论模型与众多实验相吻合[96]。
力表示. 强度与位错密度直接相关，加工硬化的机理
当位错源开动, 位错不断发 出, 但是,由于相邻晶体的 取向不同, 位错不能穿过晶 界达到相邻晶粒, 只能通过 在晶界处塞积,引起应力集 中,丛而激发相邻晶粒的位 错源开动, 形成多个晶体塑 性变形. 因此, 多晶体晶界 的存在, 成为位错运动的阻 力. 最著名的Hall-Petch式 表达了位错强化作用:
2.4 力学性能实验
拉伸试验在拉伸试验机美国MTS-810系统上完成，应变速率范围选 定从1.04×10-6到1.04 s-1之间变化。拉伸试样夹持采用自制夹具， 自制夹具与试验机的十字头夹具串联。延伸率通过试验机的十字头夹 具位移计算求得。板状拉伸试样尺寸如图2.2所示，标长8 mm，宽2 mm，厚度在0.3-2 mm之间。
普通多晶体材料的塑性变形是由位错在晶体的滑移 系 (滑移面上的滑移方向)实现的.
因此, 多晶体材料的塑性变形力学行为是由位错运 动行为决定或控制的.
位错的尺度和位错的运动决定了材料的力学
因此通过限制位错运动提高强度或者通过易于位错 运动改善材料的塑性
f
G
exp 12vab
位错运动的摩擦力 (P-N 力， Peierls，Nabarro)
1200
800
400
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Nominal engineering strain (%)
ln [
]
1% plastic strain
(b)
7.4
7.2
7.0
m =0.012 avg
6.8
6.6
-10 -8
-6
-4
-2
0
2
ln [strain rate]
XRD分析表明电沉积纳米结构材料Ni具有典型的(200) 织构。TEM观察显示这种材料由尺寸分布较宽的纳米晶 粒构成，晶粒尺寸变化从5到80 nm，且形成大小约 150-250 nm的晶粒团簇。统计得出这种材料的平均晶 粒尺寸约为43 nm。
对于一个刃型位错, 此式可以写成( lian Baudelet-1993)
其中 是应力转换因子(从剪切应力转换成拉伸应 力, 通常取2-3. Fcc-3.06,Bcc 2.78
当多晶体塑性变形发生在多个滑移系, 形成多滑移, 产生位错交割, 形成林位错(位错网格), 其滑移所需 的了可以有经典的位错密度公式表达:
P-N（派纳）力表明, 位错的运动最易于发生在密排面 和 密排方向上, 并由此构成滑移系, 因为在此滑移系统 上, .位错滑移的阻力最小.
(Mott 的解释)
一般的位错源阻力 写成:
其中, L是位错源长
度.由此可以看出, 位错源开动的力与 位错线长度成反比.
对于一个任意位错, 更精确的表达是 (J.P.Hirth, 1982) :
2, 细化晶粒强化
3, 固溶强化
4, 第二相质点强化 当然还有其他如: 孪晶强化, 非晶态强化, 等非位
错模式强化
纳米材料力学行为的几个主要特点:
高的(屈服和抗拉)强度. 较低的塑性, 韧性 提高的(enhanced) 应变速率敏感性
当材料的晶粒尺寸减小到几十纳米尺度时，H-P关 系的斜率会变小，但仍然保持正值[77, 78]。 Takeuchi[79]总结了众多科研人员，包括 Nieman[77]，Sander[20]，Choksi [80]和 Fougere[81]的纳米Cu和纳米Pb的硬度与晶粒尺寸 的关系，如图1.10所示。很明显的，对于纳米Cu， H-P关系的斜率随着晶粒尺寸的减小，逐渐的由正 值，变到零(没有明显的尺寸依赖性)，然后到负值。
图2.3 厚度为2 mm的 纳米块体材料拉伸试 样。
纳米NI显微结构
Number fraction &. volume fraction (%)
30 (C)
25
Number fraction
Volume fraction
20
15
10
5
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Grain size (nm)
图3.5 (a)电沉积纳米结构Ni在不同应变速率下的工程应力 应变曲线；(b) 1% 塑性应变时的流变应力与应变速率的 对数坐标图。
Nominal Engineering Stress (MPa)
(a)1.04E-4 1.04E-3 1.04E-2 4.17E-2 1.04E-1 1.04
wk.baidu.com
1
HP 0 Kd 2 0
K d
流动应力和晶粒尺寸1/2成反比.
若不考虑固溶强化和第二相质点强化, 上述四个表 达式可以基本描述多晶体金属的位错塑性力学行为. 由此还可知道, 加工硬化(通过增加位错密度 ,和 细化晶粒强化是强化材料的主要手段.
1, 位错密度强化(加工硬化, )
块状纳米材料是指由纳米尺寸的晶体组成 的多晶体材料, 通常将尺寸小于100纳米的 多晶体材料称为nanocrystalline materials, (nc) 而将晶体尺寸大于100nm, 小于1m的多晶体材料成为 submicrometer materials or ultrafine
grained materials (ufg), 传统微米级晶 粒尺寸的材料成为 coarse grained materials.
连建设在1993年采用单根位错线弯曲模型，提出了修正 的H-P关系式，解释了纳米Cu和Pd的硬度与晶粒尺寸的 关系。该模型首先假定纳米晶粒中只有单根的位错存在， 纳米材料的屈服应力直接与Frank-Read位错源的临界半 圆的构型相关联。根据经典的位错理论[101]和一些合理
的假设，得到屈服剪切应力 和硬度H 与晶粒尺寸 d 的关
系式，分别表示为公式(1.2)和(1.3)：
其中G是剪切模量，b是柏氏矢量，c和α为常数。理论模型中假设位错 线长度。由此可以得出，当晶粒尺寸比较大时，位错线长度L与b的比 值很大，公式(1.2)和(1.3)中的对数项趋于一个常数。但当晶粒尺寸减 小到纳米尺度时，即位错线长度和晶粒直径尺寸相当的时候，公式中 的对数项开始起作用。这个理论模型与众多实验相吻合[96]。