第五章 纳米晶材料的力学性能
纳米晶结构特征及其材料性能研究进展
纳米晶结构特征及其材料性能研究进展纳米技术是近年来备受关注的新型科技，纳米材料一般是由1～100nm之间的粒子组成的。
纳米晶是一类特殊的纳米粒子，由大量的随机取向的超微粒组成的具有规整原子排列的纳米粒子，是单个粒子特征维度尺寸在1～100nm级的晶体材料，每个粒子都是结构完整的小晶粒，相邻晶粒的取向关系是两个晶粒相对旋转加上平移而成的。
纳米晶是介于分子和凝聚态物质之间的一座桥梁。
一、纳米晶的结构特征纳米晶内部结构的高度均一，使纳米晶成为构筑纳米有序结构材料极具潜力的结构单元，并且由于纳米晶的粒径处于纳米级别的尺度，使之具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊的物理效应。
1.小尺寸效应。
纳米颗粒的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干波长或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒表面层附近原子密度减小，纳米颗粒表现出新的光、电、声、磁等体积效应，其他性质都是此效应的延伸。
2.表面效应。
纳米微粒表面原子与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，随着粒径减小，表面原子数迅速增加，微粒的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。
由于表面原子数的增多，原子配位不足，导致纳米微粒表面存在许多悬键，表面活性很高，极不稳定，同时也引起表面原子电子自旋构象和电子能谱的变化。
3.量子尺寸效应。
当粒子尺寸下降到某一值时，金属材料的费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，而半导体材料则能隙变宽，以及由此导致的不同于宏观物体的光、电和超导等性质。
具体到不同的半导体材料，其量子尺寸是不同的，只有半导体材料的粒子尺寸小于量子尺寸，才能明显地观察到量子尺寸效应。
4.宏观量子隧道效应。
宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。
量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。
纳米材料的力学性能与应变率效应
纳米材料的力学性能与应变率效应纳米材料是由纳米级的原子和分子组成的材料，具有与宏观材料不同的特殊力学性能。
近年来，随着纳米科学的迅速发展，关于纳米材料的力学性能和力学行为的研究逐渐引起了人们的广泛关注。
其中，纳米材料的力学性能与应变率效应是一个重要的研究领域。
纳米材料的力学性能通常是指材料的硬度、强度和韧性等机械性能。
纳米材料具有较高的硬度和强度，这是由于其纳米尺度下的晶粒尺寸效应所致。
在纳米尺度下，晶粒的尺寸与晶界的数量会显著增加，这导致了晶界和界面的密度增加，从而提高了材料的硬度和强度。
此外，纳米材料由于表面积大，在外力作用下，晶粒之间的位错难以移动和滑动，因此纳米材料的强度也较高。
但是，纳米材料的高硬度和强度也带来了一些问题。
纳米材料的高硬度和强度常常意味着其韧性较差，容易发生断裂和破坏。
同时，纳米材料在应变作用下的行为也与宏观材料有很大的不同。
在纳米材料的应变率效应中，当应变率较小时，纳米材料的强度和硬度随应变率的减小而增加；而当应变率较大时，纳米材料的强度和硬度随应变率的增加而减小。
这种应变率效应是由于纳米材料内部晶粒的应变率敏感性导致的。
在纳米材料中，晶界对位错的移动具有一定的限制作用，因此晶界承载了大部分的应力。
当外力作用下，应变率较小时，晶界能够更好地承载应力，从而增加了材料的硬度和强度；而当应变率较大时，晶界难以有效地承载应力，造成局部应力集中，导致材料的强度和硬度下降。
此外，纳米材料的应变率效应还与材料的动态行为和变形机制密切相关。
在纳米材料的动态行为中，其应变率通常与变形速率相关。
当变形速率较高时，纳米材料的应变率也较高，因此应变率效应更为显著。
在变形机制方面，纳米材料的变形主要是通过晶粒的位错滑动和塑性变形实现的。
在应变率较低时，晶粒之间的位错滑动较为容易发生，从而增强了材料的硬度和强度；而在应变率较高时，晶粒之间的位错滑动受到阻碍，导致材料的硬度和强度下降。
综上所述，纳米材料的力学性能与应变率效应是一个复杂而重要的研究领域。
纳米晶材料的制备与力学性能研究
纳米晶材料的制备与力学性能研究纳米晶材料是指晶粒尺寸在1-100纳米之间的材料。
由于其特殊的晶格结构和尺寸效应，纳米晶材料具有许多独特的力学性能。
近年来，人们对纳米晶材料的制备方法和力学性能进行了广泛的研究。
一、纳米晶材料的制备方法目前，常见的制备纳米晶材料的方法主要有机械合金化法、热处理法和化学合成法等。
机械合金化法是通过高能球磨等机械能激励，使材料粉末发生冶金反应，达到纳米晶的制备目的。
这种方法操作简单，适用性广泛，但是存在一定的局限性，如需要较长时间的机械合金化过程和较高的机械能激励，同时对原料的纯度和晶粒尺寸有一定的要求。
热处理法是通过控制晶粒的生长动力学，利用高温热处理使晶粒尺寸缩小到纳米级别。
这种方法具有较高的晶粒尺寸和晶粒形态的可控性，但是需要较高的温度和较长的时间，同时易引起晶粒长大和结晶的发生。
化学合成法是通过控制反应条件和反应物的浓度，使纳米晶材料在溶液中形成。
这种方法操作简单、易于扩展和工业化生产，但是对反应条件和纯度有较高的要求。
二、纳米晶材料的力学性能研究进展纳米晶材料的力学性能是研究的热点之一，包括强度、韧性、塑性等方面。
纳米晶材料相对于其晶粒尺寸较大的同种材料，具有更高的硬度和强度。
这是由于纳米晶材料的晶粒尺寸小于运动螺联位错所需要的位错长度，导致位错运动受到晶粒壁的阻碍，使其力学性能得到了提升。
然而，纳米晶材料的韧性相对较低。
纳米晶材料的晶粒尺寸小，晶粒边界的面积相对增大，导致晶界能量的提升，晶粒边界易于发生聚集和滑移，进而增加了纳米晶材料的脆性。
塑性是材料的重要力学性能之一。
相对于晶体材料，纳米晶材料的塑性明显增强。
这是由于纳米晶材料的晶粒尺寸小，晶界的位错密度高，使得晶界滑移和滑移抑制交替发生，从而提高了纳米晶材料的塑性。
除了以上几个方面，纳米晶材料的弹性模量、疲劳性能、蠕变行为等也是研究的热点。
纳米晶材料的弹性模量比相同成分的晶体材料略有增大，而且具有显著的形状记忆效应。
纳米材料力学性能
我们用电沉积的方法，通过添加第二类元素，如 （Ni＋ Co， Ni＋Fe） 制备纳米合金，当第二类 元素超过固溶度，变成为双相纳米合金。
纳米材料力学性能
0
20
40
60
80
100
120
140
2/ deg.
电沉积纳米结构Ni-1.7%Co 合金的XRD图谱
纳米材料力学性能
拉伸力学性能
不同应变速率下，纳米 Ni-1.7%Co合金的室温拉 伸工程应力-应变曲线。
电沉积纳米Ni和Ni合金[73, 74, 105, 108, 125, 128]的延伸率与屈服强度的 关系图。本章研究的Ni-1.7%Co合金 表现出延伸率与屈服强度的优化的特 性。
纳米材料力学性能
加上固溶强化和第二相质点强化, 我们共有四大强 化手段来强化金属材料:即: 1, 位错密度强化(加工硬化, )
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
纳米材料力学性能
纳米材料的塑性力学行为
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
纳米材料力学性能
HP0Kd12
0
K d
Hall-Petch relationship
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.
纳米材料力学性能
微米级晶体材料的力学性能
纳米级材料的力学性能及其对结构材料的增强效应
纳米级材料的力学性能及其对结构材料的增强效应纳米级材料作为新一代材料科学的重要组成部分，因其在力学性能和结构特征方面的独特性质而受到广泛关注。
本文将探讨纳米级材料在力学性能方面的特点以及其在结构材料中的增强效应。
纳米级材料的力学性能表现出与传统材料迥然不同的特点。
一方面，纳米级材料的晶粒大小在纳米级别范围内，晶粒的尺寸效应和表面效应凸显出来。
晶体尺寸减小至纳米级别后，晶界和格错会对材料性能产生显著影响。
晶界对材料的韧性和延展性有所增强，从而更有效地抵抗塑性变形和断裂。
纳米级材料由于其特殊的尺寸效应，其材料的力学性能也会受到量子效应的影响，如电子束缚效应等。
另一方面，纳米级材料的高比表面积使其在力学性能方面呈现出明显的优势。
纳米级材料由于其高表面积与体积之比的巨大增加，使得材料表皮原子数目增多，更多的原子相互作用面，从而增加了材料的强度和硬度。
纳米级材料中存在更多的表面原子，可以有效地吸附和承载外部载荷，提高材料的抗弯曲和抗拉伸性能。
纳米级材料在结构材料中的应用具有显著的增强效应。
通过在结构材料中添加纳米级材料，可以显著改善材料的力学性能和功能性能。
纳米级材料可以增加结构材料的强度和硬度。
由于纳米级材料的高比表面积和尺寸效应，结构材料中添加纳米级材料可以增加材料的晶粒尺寸和表面积，从而提高材料的强度和硬度。
纳米级材料还可以增加材料的塑性变形能力，改善材料的韧性。
纳米级材料的添加还可以改善结构材料的疲劳性能和耐蚀性能。
纳米级材料具有高比表面积和尺寸效应的特点，可以提高结构材料的抗疲劳性能。
纳米级材料的添加能够增加材料的表面硬度和表面凸起，从而减少应力集中和裂纹扩展，提高材料的抗疲劳性能。
纳米级材料还能够提高结构材料的耐蚀性能，有效地阻止材料的腐蚀和氧化。
纳米级材料的应用还可以改善结构材料的导热性能和电子性能。
纳米级材料具有高比表面积和尺寸效应的特点，可以有效提高材料的导热性能。
纳米级材料的添加可以增加材料的界面数目，增强热传导路径，提高材料的导热性能。
纳米材料的力学性能
Key words:
nanocrysalline material, Hall-Petch relation, yield stress, strengthening mechanism, finite element analysis, nanocomposite, mechanical alloying method, ball milling, powder metallurgy method, fabrication process
西北工业大学 2001 年 3 月
摘
要
摘
要
近年来， 纳米晶体材料和纳米复合材料作为一种新型材料已引起世界范围的 广泛关注， 纳米技术将成为二十一世纪的主流技术。 对于这一具有挑战性的课题， 在力学及其它很多领域已对其奇特性、有用性和广泛前景作了大量研究。目前纳 米材料极受重视，因为它们有很多不寻常的性能，如高的强度、硬度、超塑性及 特殊的显微结构。材料中的超细晶粒引起大量晶界及晶界原子的剧烈摩擦。与粗 晶材料的区别在于，当材料到达纳米级，传统的塑性好的金属材料将变强变硬， 而陶瓷材料则表现出超塑性。一些纳米材料兼有力学和 功能方面的优良性能。 这将对传统力学产生很大影响。 此论文的目的主要是研究纳米材料的制备工艺及力学性能。 这两方面分五个 部分来论述。 第一部分：综述国内外在这方面的研究概况，并指出此论文的研究目的、内 容、方法及意义。 第二部分：讨论了纳米复合材料的制备工艺。采用两种制备方法：粉末冶金 法和机械合金化法。在实验的基础上，还研究了纳米复合材料的力学性能。 第三部分：为研究纳米复合材料的强化机理，提出了内晶颗粒残余应力强化 模型。并对 Al2O3-Cu 纳米复合材料的残余应力进行了估算。该模型很好地解释 了纳米复合材料的强度随强化粒子含量的变化规律。 第四部分：采用有限元分析方法，对纳米颗粒填充复合材料应力分布作了分 析。考虑粒子间的相互作用后，给出了相应的应力场分布形式。 第五部分：建立纳米材料力学性能与晶粒尺寸之间的关系，也即 Hall-Petch 关系。众所周知，纳米晶体材料的硬度比 H-P 关系所预测的要低，甚至出现负 斜率。为了阐明此问题，把纳米晶体材料等效成由晶粒和晶间界面夹杂组成的复 合材料，对其屈服应力特征作了详细讨论。此模型很好地解释了纳米晶体材料的 尺寸效应。
纳米材料的力学性能
图中晶界厚度为1nm，晶间区为晶界 和三叉晶界区之和。
左图表明，当晶粒小于2nm时，三叉晶 界的体积分数已超过界面的体积分数。由于 三叉晶界处的原子扩散更快，运动性更好。
因此，纳米材料中大量存在的三叉晶界 将对材料的性能产生很大的影响。
晶粒直径对晶间、晶界、和三叉晶界体积分数的影响
纳米材料中的结构缺陷
晶界的原子结构-一直存在争论：
➢ 类气态模型
Gleiter于1987年提出
认为纳米微晶界 面内原子排列既非 长程有序，又非短 程有序，而是一种 类气态的，无序程 度很高的结构。
该模型与大量事实有出入，至1990年以来文献上不再引用该模型。
➢ 短程有序模型 认为纳米材料的界面排列是有序的,与粗晶结
，E的下降越大。原因：晶粒越细，纳米材料中的晶界越多，晶界处的 原子排列不规则并且疏松，原子间距较大，键合强度较弱！
晶粒尺寸对弹性模量的影响
左图：Fe、Ni等纳米粉体压制的固体材料 晶粒尺寸和弹性模量的关系，虚线/实线 分别为晶界厚度0.5nm/1nm时的测量曲线。
❖纳米固体材料中的三叉晶界
所谓三叉晶界，指三个或三个以上相邻晶粒 之间的交叉区域，也称旋错。
晶晶 Δ
计算表明：当晶粒直径从
100 nm减小到2 nm时，三叉
晶界体积分数增加3个数量
级，而晶界体积分数仅增加
晶晶
1个数量级。
晶晶
三叉晶界体积分数对晶
粒尺寸的敏感度远远大
于晶界体积分数。这就意味着三叉晶界对纳米 晶体材料的性能影响是非常大的。
纳米微粒表面易吸附气体，压制过程中形成气孔，一经烧结， 气体逃逸，留下孔洞。
孔洞随退火温度的升高和退火时间的延长，会收缩，甚至会 完全消失，可达到纳米材料的致密化。
纳米晶材料的力学行为与应用
纳米晶材料的力学行为与应用哎呀，说起纳米晶材料，这可真是个神奇又有趣的领域！我先给您讲讲我之前的一个小经历。
有一次，我去参加一个科技展览，在一个角落里看到了一块展示纳米晶材料的展板。
我好奇地凑过去，那上面展示的微观图像，就像是一个神秘的微观世界，瞬间吸引了我。
咱先来说说纳米晶材料的力学行为。
您知道吗？纳米晶材料就像是一群超级有纪律的“小战士”。
它们的晶粒尺寸非常小，小到只有几个到几十个纳米。
这可不得了，因为晶粒小，晶界占比就大啦。
晶界就像是一道道坚固的防线，让纳米晶材料具有超高的强度和硬度。
比如说，普通的金属材料，如果把它做成纳米晶的形式，那强度能比原来提高好几倍呢！就像一根普通的铁丝，可能轻轻一折就弯了，但是如果把这铁丝变成纳米晶的结构，那可就硬得像根钢棍，怎么折都折不断。
纳米晶材料的力学性能还表现在它的良好韧性上。
这可有点出乎意料，一般强度高的材料韧性会差一些，但纳米晶材料却能做到“鱼和熊掌兼得”。
这是为啥呢？原来，纳米晶材料中的晶界可以协调变形，就像一群小伙伴手拉手一起应对困难，分散了受力，从而让材料既有强度又有韧性。
再说说纳米晶材料在实际中的应用，那可真是五花八门。
在航空航天领域，纳米晶材料可以用来制造更轻更强的零部件。
想象一下，飞机的发动机里那些关键的部件，如果用纳米晶材料制作，就能减轻重量，还能更耐得住高温高压的考验，让飞机飞得更高更远更安全。
在医疗领域，纳米晶材料也大显身手。
比如说，制作人工关节，纳米晶材料的耐磨性能那叫一个棒，能让人工关节使用的时间更长，减少患者再次手术的痛苦。
还有在电子领域，纳米晶材料能让芯片的性能大幅提升。
现在的手机、电脑越来越快，越来越小，这里面就有纳米晶材料的功劳。
就拿我上次看到的那个科技展览来说，当时展示了一款用纳米晶材料制造的新型电池，体积小得让人惊讶，但是电量却超级足。
要是咱们的手机都用上这样的电池，那出门就再也不用担心电量不够啦！总之，纳米晶材料就像是一个充满魔力的宝库，不断给我们带来惊喜。
纳米材料的力学性能和电性能
请概述纳米材料的力学性能与电性能。
1）力学性能：
当材料的晶粒尺度达到纳米量级时，材料的力学性能发生很大的变化，金属材料将变强变硬，而陶瓷材料变韧和具有超塑性的特征，这种变化主要是由材料的微观结构决定的。
由于纳米材料的尺寸在100nm以下，各种限域效应引起的各种特性开始有了相当大的改变。
一粗晶粒金属为例，正常情况下金属原子之间存在移动位错，但是当金属的尺寸缩小到纳米级时，晶粒尺寸太小以至于不能产生位错，这样金属就变得相当坚硬，受挤压时产生的应力就更大这样金属就变得相当坚硬。
同样的，很多纳米陶瓷材料在高温时表现出了类似于金属的超塑性，当晶粒细化到纳米尺度时，纳米陶瓷材料和纳米增韧陶瓷材料具有很好的韧化和强化效果，因而纳米陶瓷复合材料的韧化机理的研究也引起了人们的兴趣，纳米陶瓷材料的应用也越来越广泛。
2）电性能：
纳米材料的微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大关系，介电常数与交变电场的频率也有密切关系。
一般来讲，纳米材料比块体材料的介电常数要大，介电常数大的材料可以应用于制造大容量电容器，或者在相同容量的情况下缩小元件体积，这对电子设备的小型化有很大作用。
同时，当颗粒达到纳米级是，它的电阻、电阻温度系数都会发生变化，良导体如银在纳米级是电阻会突然升高，失去金属的特征；而典型的绝缘体如氧化氮、二氧化硅等，当颗粒尺寸小到15-20nm时，电阻却会大大下降使它们具有导电性能。
纳米晶材料的制备及性能研究
纳米晶材料的制备及性能研究纳米晶材料是由纳米晶粒构成的材料，纳米晶粒的尺寸在1纳米到100纳米之间。
相比于传统的晶体材料，纳米晶材料拥有许多独特的性能，使其广泛应用于能源、材料、生物医药等领域。
本文将探讨纳米晶材料的制备方法以及其性能研究。
纳米晶材料的制备方法多种多样，包括机械合金化、物理气相沉积、溶剂热法、溶胶凝胶法等。
其中，溶胶凝胶法是一种常用的制备纳米晶材料的方法。
该方法通过溶胶的形成、凝胶的成型和干燥、高温煅烧等步骤，可以制备出具有纳米晶结构的材料。
纳米晶材料的性能研究主要包括结构性能、力学性能和热学性能等方面。
首先是结构性能的研究，纳米晶材料具有较大的比表面积和高密度的晶界，导致其晶粒尺寸减小，晶界面增大。
因此，纳米晶材料的晶格畸变、晶粒的位错分布以及晶粒的有序与无序分布等结构性能进行研究。
同时，力学性能是纳米晶材料的重要性能之一，纳米晶材料的力学性能受到晶粒尺寸、晶界的效应以及冲击、压缩等外力的作用。
最后，热学性能是指纳米晶材料在热传导、热导率以及热膨胀等方面的性能研究。
纳米晶材料具有许多独特的性能。
首先，纳米晶材料具有较大的比表面积，这使其具有超高的吸附性能。
这种吸附性能使纳米晶材料能够应用于污染物的吸附和催化剂的载体等领域。
其次，纳米晶材料的强度和延展性也受到晶粒尺寸和晶界的影响。
研究表明，纳米晶材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增加，而延展性则相对减小。
最后，纳米晶材料的热学性能也具有独特的特点。
纳米晶材料具有较低的热导率和较高的热膨胀系数，这使纳米晶材料在热障涂层等领域有广泛的应用。
总之，纳米晶材料具有许多独特的性能和广阔的应用前景。
纳米晶材料的制备方法和性能研究是一个非常重要的研究领域。
随着纳米科技的发展和进步，相信纳米晶材料将在能源、材料、生物医药等领域发挥更加重要的作用。
纳米材料的力学性质与应用
纳米材料的力学性质与应用随着纳米科技的不断发展，纳米材料在科学研究和工业应用中的地位越来越重要。
纳米级材料具有独特的力学性质，这些性质使得它们在许多领域有着广泛的应用。
本文将探讨纳米材料的力学性质以及这些性质在工程与科学领域中的应用。
首先，纳米材料表现出了与宏观材料截然不同的力学性质。
与宏观材料相比，纳米材料的强度和硬度通常更高。
这是因为纳米材料的晶粒尺寸较小，材料内部的位错和缺陷较少，从而提高材料的强度。
此外，纳米材料的应力-应变曲线通常表现出非线性特点，这是由于在纳米尺度下，塑性变形主要通过位错运动和相界面滑移来实现。
这些独特的力学性质使得纳米材料在材料科学、机械工程和电子工程等领域中有广泛的应用。
一方面，纳米材料的高强度和硬度使其成为制备坚固材料的理想选择。
例如，在航空航天、汽车制造和建筑工程中，纳米材料可以用于制备强度更高、重量更轻的材料，从而提高产品的性能。
此外，在电子器件中，纳米材料可以替代传统材料，制备出更小、更快的电子器件。
另一方面，纳米材料的非线性应力应变曲线也使其在传感器和纳米机械领域有着广泛的应用。
传感器是一种能够将外部信号转化为可测量信号的装置。
由于纳米材料的非线性应力应变曲线，纳米尺度的传感器能够检测到微小的应变变化，从而实现更高灵敏度的传感器。
在纳米机械领域，纳米材料的非线性特性可以用于设计和制造高度精密的纳米机械装置，如纳米马达和纳米刀具。
这些纳米机械装置可以在纳米尺度下进行控制和操作，有着重要的科学研究和应用价值。
除了上述应用外，纳米材料的力学性质还在医学领域发挥着重要作用。
纳米材料可以作为药物输送系统的载体，将药物精确地输送到目标部位，并能够实现药物的缓慢释放。
这种特性可以提高药物治疗的效果，减少副作用。
此外，纳米材料还可以用于制备生物传感器，用于检测和诊断疾病。
这些医学应用将纳米材料的力学性质与生物学特性相结合，为医学诊疗技术的发展带来了新的可能性。
综上所述，纳米材料的力学性质在科学研究和工业应用中发挥着重要的作用。
纳米材料的力学性能
料应用中的最主要障碍。
超塑性改善
Mcfadden等人[12]给出了纳米晶体镍、纳米晶体铝合金(1420Al)和纳米 晶体镍铝合金(Ni3Al)低温超塑性的结果。纳米晶体镍在743K产生超塑 性,这个Байду номын сангаас度低于先前所得温度。相当于0.36Tm(任何一种晶体材料的最 低的超塑性温度)。纳米晶体Ni3Al在723K时可以产生超塑性,这个温度 低于在微晶区域的超塑性温度。
塑性降低
当晶粒尺寸降到纳米长度范围时,同强度一样,塑性也被认为会升高。这种设想是 基于普通晶粒材料的经验而得出。对于普通晶体材料,晶粒尺寸影响屈服和断裂 强度,随晶粒尺寸减小,断裂强度增加得比屈服强度快,材料塑性增加。然而,试验 数据没有证实这种预想的趋势。相反,当材料晶粒尺寸降低时,屈服强度比断裂强 度增加的快。因而,塑性降低。在承载情况下,脆性断裂是金属间化合物和陶瓷材
纳米碳管
两种纳米碳管:只有一个单原子层圆筒的单壁纳米管 (SWNTs)和外原子层内还有原子层的多壁纳米碳管(MWNTs)。 SWNTs沿纳米碳管轴线具有周期性结构。
纳米碳管的力学性能
所有的工作表明纳米碳管在沿轴线方向上确实具有异常的强度。另外,从 对纳米碳管韧性的直接观测中可以得出,纳米碳管可以承受巨大拉伸力而不 破坏或断裂[31,32]。不同研究小组所得出的数据的巨大差异似乎让人们认 为其弹性模量取决于纳米碳管的直径和形状。研究者使用的纳米碳管不一 致,导致不同的结果。但是,Forro等人[31]的成果表明这个结论可能不正确。 他们主张SWMTs与MWNTs的性质不同。MWNTs的Y值在很大程度上取 决于其直径,更确切的说, Y值与纳米碳管壁中的紊乱程度有关。相 反,SWNTs的Y值确实取决于直径,单独一个纳米碳管的杨氏模量为1TPa,而 直径为15~70nm的束[或绳]的杨氏模量值约为100GPa。这就是说Y值的不 同是因为研究者所用纳米碳管壁厚度的不同而产生的[32]。例如,如果纳米 碳管被认为是实心的圆柱而不是中空的圆筒,那么,纳米管的Y值将更低。纳 米碳管壁越薄,其杨氏模量越高。
纳米材料的力学性能与力学行为研究
纳米材料的力学性能与力学行为研究引言：纳米材料由于其在尺寸纳米级别上的特殊性质而引起了广泛的研究兴趣。
在过去的几十年中，纳米材料的力学性能与力学行为的研究已经取得了显著的进展。
本文将重点介绍纳米材料的力学性能以及其背后的力学行为机制。
一、纳米材料的力学性能1. 强度与硬度纳米材料具有出色的强度和硬度，这是由于它们的纳米尺寸引起的晶格畸变和界面强化效应。
纳米材料的强度和硬度通常比其微米级材料更高，这使得纳米材料在适用于各种领域的高强度结构中具备了巨大的潜力。
2. 韧性与延展性韧性和延展性是衡量材料对外力变形的能力。
虽然纳米材料的强度和硬度出色，但其韧性和延展性相对较差。
纳米材料的韧性和延展性主要受到纳米尺度下晶界、位错和缺陷的影响，这些因素导致了力学行为的变化。
二、纳米材料的力学行为1. 变形机制纳米材料的变形机制实际上是纳米尺度下位错滑移和材料的相变切换。
位错滑移在纳米尺度下(纳米位移区域)变得更加困难，导致纳米材料的塑性变形能力降低。
相变切换则会影响纳米材料的强度和韧性，这种相变切换可以发生在纳米晶颗粒之间或纳米结构的界面上。
2. 界面效应纳米材料中晶界和其他界面的存在对力学性能起到了重要作用。
晶界不仅可以提高纳米材料的强度和硬度，还可以阻碍位错滑移，从而影响纳米材料的塑性变形和韧性。
此外，纳米材料中的其他界面（如相界面、液固界面等）也可能对纳米材料的力学性能产生影响。
3. 尺寸效应纳米材料的尺寸效应是指材料的力学性能随着尺寸的减小而产生的显著变化。
在纳米尺寸下，材料的晶粒尺寸也较小，而此时晶格本身的缺陷也更加显著。
这些缺陷和尺寸效应会影响纳米材料的力学响应，使其与常规材料的力学性能有所不同。
三、纳米材料力学性能与力学行为的研究方法1. 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是研究纳米材料力学行为的常用仪器。
它可以实时观察和测量纳米材料在受力过程中的形貌变化和力学性能，提供了高分辨率的表面形貌信息。
纳米材料力学的力学性能分析
纳米材料力学的力学性能分析纳米材料力学的研究是纳米科学和纳米技术的重要组成部分。
纳米材料具有特殊的力学性能，对其进行力学性能分析可以帮助我们更好地理解和应用这些材料。
本文将从几个方面对纳米材料的力学性能进行分析。
1. 纳米材料的力学性能表征纳米材料的力学性能通常通过杨氏模量、屈服强度、断裂韧性等指标来表征。
杨氏模量是纳米材料抵抗形变和应力的能力，屈服强度表示在给定的应力下材料首次发生塑性变形的能力，而断裂韧性则衡量了材料在断裂时的能量吸收能力。
2. 纳米材料的强度及其尺寸效应与宏观材料相比，纳米材料具有更高的强度。
这是因为纳米材料中的晶粒尺寸较小，晶体缺陷较少，使得纳米材料具有更高的位错密度和强度。
此外，纳米材料还存在尺寸效应，即材料的力学性能随其尺寸的减小而发生变化。
尺寸效应表现为纳米材料的强度随晶粒尺寸的减小而增加，同时材料的塑性变形能力降低。
3. 纳米材料的变形行为纳米材料的变形行为主要包括弹性变形、塑性变形和断裂三个过程。
弹性变形是指在施加外力后材料发生可逆的形变，塑性变形是指材料在超过屈服点后发生不可逆的形变，而断裂是指材料在应力达到一定临界值时发生破裂。
纳米材料在变形过程中由于其尺寸较小，晶界和孪生界的作用变得更加显著，对材料的变形行为有显著影响。
4. 纳米材料的疲劳行为纳米材料的疲劳行为与其晶界和缺陷密度有关。
晶界是纳米材料中重要的能量传递通道，而缺陷则是影响材料疲劳寿命的关键因素。
晶界和缺陷的存在导致纳米材料容易发生裂纹，加速疲劳破坏的发生。
因此，对纳米材料的疲劳行为进行分析对于提高其应用寿命具有重要意义。
5. 纳米材料的应用纳米材料具有广泛的应用前景，例如在能源领域的储能材料、光电器件和催化剂等方面。
了解纳米材料的力学性能对于开发和应用这些材料具有重要意义。
通过研究纳米材料的力学性能，我们可以更好地设计和优化纳米材料的结构和性能，拓展其在各个领域的应用。
综上所述，纳米材料力学的力学性能分析对于理解和应用纳米材料具有重要意义。
纳米晶陶瓷的结构和力学性能研究
纳米晶陶瓷的结构和力学性能研究引言纳米晶材料一直以来都在材料科学领域引起了广泛关注。
纳米晶材料具有独特的结构和力学性能，这使得它们在许多应用中具有巨大的潜力，尤其是在纳米科技、能源储存和生物医学等领域。
在这篇文章中，我们将重点关注纳米晶陶瓷材料的结构和力学性能，并介绍一些相关的最新研究进展。
纳米晶陶瓷的结构纳米晶陶瓷是指晶粒尺寸在纳米尺度范围内的陶瓷材料。
与传统的多晶陶瓷相比，纳米晶陶瓷具有更小的晶粒尺寸和更高的比表面积。
这使得纳米晶陶瓷具有许多独特的结构特点。
首先，纳米晶陶瓷的晶粒尺寸一般在5至100纳米之间，相比传统陶瓷材料中的微米级晶粒，纳米晶陶瓷的晶粒尺寸更小。
其次，纳米晶陶瓷的晶界密度更高，这是由于晶界随着晶粒尺寸的减小而增多。
第三，纳米晶陶瓷的晶粒尺寸分布更窄，这意味着纳米晶陶瓷的晶粒尺寸更加均匀。
最后，纳米晶陶瓷具有大量的晶界和界面，这些界面可以影响其物理和化学性质。
纳米晶陶瓷的力学性能纳米晶陶瓷材料由于具有特殊的晶界和界面结构，其力学性能与传统陶瓷材料存在显著差异。
首先，纳米晶陶瓷的硬度通常远远高于传统陶瓷材料，这是由于晶粒尺寸减小导致晶界的增加，使得纳米晶陶瓷能够抵抗更大的外部应力。
其次，纳米晶陶瓷的韧性也相对较高，这是由于晶粒尺寸减小和晶界增多所带来的抗裂纹扩展的效应。
第三，纳米晶陶瓷的弹性模量和强度也会发生变化，与其晶粒尺寸和晶界结构相关。
研究进展最近的研究表明，纳米晶陶瓷的力学性能可以通过多种途径进行调控。
一种常用的方法是通过改变纳米晶陶瓷材料的晶粒尺寸和晶界结构来控制其力学性能。
例如，通过控制晶粒生长和晶界迁移的速率，可以改变纳米晶陶瓷的晶界密度和分布，从而调节其硬度和韧性。
另外，添加小量的掺杂剂或合金元素也可以显著改善纳米晶陶瓷的力学性能。
这些掺杂剂或合金元素能够稳定晶界和界面结构，从而增强材料的韧性和抗裂纹扩展能力。
此外，纳米晶陶瓷的力学性能还受到其制备方法和处理过程的影响。
纳米材料的力学性能与失效分析
纳米材料的力学性能与失效分析摘要纳米材料由于其尺寸效应和界面效应的存在，具有独特的力学性能和失效行为。
本文对纳米材料的力学性能与失效进行了系统的分析和研究。
首先介绍了纳米材料的定义和分类，然后详细讨论了纳米材料在力学性能方面的独特之处，包括强度、韧性、塑性变形、断裂行为等。
接着，针对纳米材料的失效现象，对纳米材料的蠕变、疲劳、腐蚀等失效机理进行了深入研究，同时通过实例进行了具体分析。
最后，对纳米材料的力学性能和失效进行了总结和展望，指出了未来研究的方向和挑战。
1.引言纳米材料的出现和发展，给材料科学和工程学领域带来了革命性的变化。
由于其具有与宏观材料不同的尺寸效应和界面效应，纳米材料具有许多独特的物理和化学性质。
其中，纳米材料的力学性能与失效行为备受关注。
力学性能是指材料在外力作用下的应力-应变行为以及相关的力学性质，而失效则是指材料在工作过程中因受到外界条件的影响而发生的破坏或衰退。
因此，对纳米材料的力学性能和失效进行研究，对于了解其内在机制、优化设计和应用具有重要意义。
2.纳米材料的分类和定义纳米材料是指至少在一维尺度上具有至少一个尺寸小于100纳米的材料。
根据其组成和结构特点，纳米材料可以分为纳米晶体材料、纳米复合材料和纳米多孔材料等。
纳米晶体材料是指晶粒尺寸在纳米级别的单相或多相材料，其具有高比表面积和较高的力学性能；纳米复合材料是指由两种或两种以上的材料组成，至少有一种材料的尺寸小于100纳米，具有高强度、高韧性等优异性能；纳米多孔材料则是指具有纳米尺寸孔隙结构的材料，具有较大的比表面积和明显的尺寸效应。
在研究纳米材料的力学性能和失效时，需要根据其不同的结构特点和应用场景进行具体分析和研究。
3.纳米材料的力学性能分析3.1 强度纳米材料的强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
由于纳米材料的晶粒尺寸较小，其具有较高的表面能和较高的位错密度，从而导致纳米材料的抗拉强度和屈服强度显著提高。
第五章纳米材料的性能
65Tm，属于高温变形的温度范围。 在位错堆积不稳定或位错不稳定的条件下，Hall-Petch公式本身就不能成立。 介电材料是以电极化为基本电学性能的材料。
1 纳米材料的力学性能 隧穿的条件为|Q|>e/2。 2eV，为间接允许跃迁带隙，在低温下可由杂质或束缚态发光。 (2) 通过表面缺陷态间接复合发光。
由式（5-5）可知，当材料的晶粒由微米降为纳米级 时，由于扩散系数的增加和s值的增加，可以期望超 塑可在较低温度下（如室温）或在较高速率下产生。
然而，对纳米材料塑性的研究和报道相对很少。
用大塑性变形方法制备的30nm的Pb-62%Sn合金， 在室温下和4.810-4s-1的应变速率下拉伸时可得300% 的伸长率。
弹性模量E是原子之间的结合力在宏观上的反映，取 处于超顺磁状态的材料具有两个特点：
当晶体的界面增多时，熔化的非均匀形核位置增多，从而导致熔化在较低温度下开始，即熔点降低。
目前，研究主要集中在纳米材料的熔化温度，纳米晶态－液态和纳米晶态－玻璃态转变的热力学、动力学，纳米相或纳米晶生长动力
决于原子的种类及其结构，对组织的变化不敏感。 学，纳米材料的热容、热膨胀以及纳米材料的界面焓等。
（2）微米晶材料通常在高温下（T>0.5Tm）和适中的 应变速率下（10-5-10-2）才产生超塑性，那么，纳米 材料能否在较低的温度和高的应变速率下产生超塑 性？
材料的蠕变是指材料在高于一定的温度（T>0.3Tm） 下，即使受到小于屈服强度应力的作用也会随着时 间的增长而发生塑性变形的现象。
目前，有关纳米材料强度的实验数据非常有限，缺乏 拉伸特别是大试样拉伸的实验。缺乏关于纳米材料强 化机制的研究。
纳米材料力学性能与强度分析
纳米材料力学性能与强度分析引言：随着纳米科技的迅猛发展，纳米材料在各个领域都展现出了广阔的应用前景。
纳米材料的力学性能和强度是其在工程应用中至关重要的指标之一。
本文将从纳米材料的力学性能分析入手，探讨其强度与属性间的关系，以及纳米材料强度的提升方法。
1. 纳米材料力学性能分析1.1 纳米材料的力学行为纳米材料的力学行为与其体积相对较大的晶体材料存在明显差异。
由于尺寸效应和表面效应的存在，纳米材料表现出了非常特殊的力学性能。
例如，在纳米材料中，晶粒尺寸的减小会导致材料的硬度和强度的提高，而且纳米材料表现出更高的韧性和塑性。
1.2 纳米材料力学性能测试方法为了准确评估纳米材料的力学性能，科学家们发展了各种测试方法。
常见的测试方法包括原子力显微镜（AFM）、纳米压痕仪、纳米拉伸机以及纳米压缩机等。
通过这些测试方法，可以获取纳米材料的硬度、弹性模量、屈服强度等力学性能参数。
1.3 纳米材料的缺陷与强度损失机制纳米材料的强度相较于晶体材料有时会有所下降，这是由于其特殊的缺陷与强度损失机制所导致的。
常见的强度损失机制有晶界滑移、孪晶形成以及纳米颗粒的断裂等。
了解这些缺陷与强度损失机制对于进一步提升纳米材料的力学性能至关重要。
2. 纳米材料强度的提升方法2.1 控制纳米材料的晶粒尺寸通过适当的制备方法，可以精确控制纳米材料的晶粒尺寸。
通常情况下，减小晶粒尺寸可以提高材料的强度。
科学家们通过溶液法、等离子体法等方法制备了各种晶粒尺寸的纳米材料，有效提高了其力学性能。
2.2 引入合适的加工方法加工方法对纳米材料的强度影响巨大。
采取适当的加工方法，如高压变形、冷变形等，可以有效提升纳米材料的强度。
通过加工方法，可以引入更多的位错和晶界强化效应，使材料更加坚固。
2.3 多元合金化改性通过掺杂或合金化方法，纳米材料的强度也可以得到有效提升。
如通过添加适量的强化相或掺杂元素，可以增加纳米材料的位错密度和变形机制，从而提高其强韧性。
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应 力 振 幅
为 d = 9、32和 100 μm
失效循环次数
应 力 振 幅
CG Cu, 3晶粒尺寸115, 15, 3.4μm
失效循环次数
图5-18 UFG铜、ECAP铜和粗晶粒铜的S–N 疲劳寿命曲线
循 环 )
提高R
△K(MPa m1/2)
图5-19 在室温、疲劳频率10 Hz 、R = 0.1～0.5条件下， 低温球磨Al–7.5Mg 合金的疲劳裂纹开裂长大速率 da/dN 随应力强度因子ΔK的变化曲线
以晶粒尺寸为函数来阐述不同的塑性变形 机制分子动力学模拟结果表明： （a）晶粒尺寸d>1μm，材料中的位错和加 工硬化现象控制了塑性变形； （b）在最小的晶粒尺寸d<10nm，其中晶 内位错数量和活性有限，晶粒边界剪切被认为 是主要的变形机制。 （c）中间的晶粒尺寸范围（10nm~1μm） 内，人们的理解仍然很少，正是这些不为人们 所熟知的机理强烈地影响了材料的延展性。
应力(MPa)
应 变 速 率 )
温度(℃)
图5-16 在不同晶粒尺寸条件下，以晶粒边界扩散机制 为基础计算的蠕变曲线。 注意当晶粒尺寸从1 μm 减小到10 nm时，应变速率提 高了6个数量级
九、纳米晶材料的疲 劳
图5-17 钛经过ECAP处理后的 S–N 曲线(方框内插入的是传统 多晶钛的S—N曲线，晶粒尺寸分别
屈 服 强 度
传统
屈 服 强 度
传统
屈 服 强 度
传统
屈 服 强 度
传统
三、延展性
在传统粗晶材料研究中，人们认为晶粒尺寸越小，材料的 延展性会提高，因而，期待着当晶粒尺寸降低到纳米数量级后， 可能使延展性有大幅度的改善。但实际上，已有的研究表明， 当金属的晶粒尺寸≤25nm后，其延展性非常差，只有这些金属 在传统晶粒尺寸范围内延展性的40%~60%。 Koch认为纳米晶材料有限的延展性可能有以下3个主要原因： （1）加工过程中缺陷的引入（例如孔隙）；（2）拉伸失稳； （3）裂纹的形核或者剪切失稳。
y 0 kd
表5-1 通过IGC法合成的纳米晶Pd和Cu的压缩屈服强度
试样号 压实温度 (°C) 密度 (%理论) 晶粒尺寸 (nm) 屈服强度 (GPa) 硬度/3 (GPa)
Pd1
Pd2 Pd3 Cu1 Cu2
335
183 RT 106 106
98.5
97.9 95.3 92.5 98.4
应 变 速 率
晶粒尺寸，d(nm)
应 变 速 率 晶粒尺寸，d(nm)
图5-5显示了4种不同的金属 Cu、Ni、Fe和Ti，当晶粒尺 寸从微米到纳米范围内变化 时其H-P关系的变化趋势。 可以看出，在传统粗晶材料 尺度范围内，数据点大多都 是重合一致的。而在纳米晶 范围内，数据点分布显得非 常离散，由此而得到的H-P 关系明显偏离了微米晶材料 的规律，斜率也有所减小。
真 应 变
(MPa)
真应力
动 准静态
真 应 变
真应力
图5-14 准静态和高应变速率等轴压缩条件下不同晶 粒尺寸试样的典型应力应变曲线
八、纳米晶材料的蠕变
图5-15 纳米晶Ni-P (d = 28 nm) （a）和纳米晶TiO2 （b）的应力和应变速率曲 线
蠕 变 速 率
应力(MPa)
蠕 变 速 率
硬 度 粗晶粒
应变速率
六、超细晶粒和纳米结构 HCP金属的应变速率敏 感性
图5-12显示了应变速率相同的 条件下（10-4s-1）、不同温 度测试的球磨3h的Zn试样拉 伸应力-应变曲线
真 应 变
真应力
七、bcc纳米晶铁的力学
行为
图5-13 在20°C 和60 °C对 球磨3h的Zn进行的应变速率 顶锻实验（压缩）结果
（5.2） σy是材料的屈服应力，σ0是摩擦应力，k是一个常数。这只是 一个近似，更为一般的形式是d的指数为-n（0.3≤n≤0.7）。 式（5.2）所列的Hall-Petch关系预测了应力会随着晶粒尺寸平 方根的倒数的提高而提高。但是，一些研究结果显示，在粗晶 粒材料中得到的这种Hall-Petch关系不能被很好地外推到晶粒尺 寸小于1μm的情况。
54
38 24 19 20
1.15
1.10–1.13 0.75 0.65 0.85
1.0
1.1 0.75 0.77 0.87
可以看出，纳米晶Cu和Pd的屈服强度明显地比相对应的粗 晶材料的强度要高，并且对材料的致密度有较强的依赖性。
图5-3 (a)是 Chokshi等人观察到 的Cu和Pd纳米晶中的反Hall-Petch关 系。(b)压缩实验比拉伸实验具有更 高的正Hall-Petch关系斜率值。 Chokshi等人认为，纳米晶铜负 的斜率是由于室温下快速扩散蠕变 的出现造成的。Coble蠕变被认为是 主要的变形机制，即：
延伸率 /%
归 一 化 后 的 屈 服 强 度
Al合金
延伸率/%
图5-7（a）显示了在传统的粗 晶尺寸区域，金属的延展性与强度 之间的关系曲线。可以看出，随着 强度的提高，延展性降低，这些数 据点基本上都落在了图示的灰色区 域。但在这个区域上方，有5个数 据点与此规律不一致，即在较高的 强度下保持了较好的延展性。研究 认为有3个因素决定了材料的延展 性：加工硬化、应变速率敏感性以 及热软化。在一些情况下，由于剪 切局域化被阻止，材料表现出了较 高的延展性。应变速率敏感性m， 可以表达如下：
压缩试验
拉伸试验
8道次ECAP处理 的Cu试样 (应变速率=5×103/s)
真应变
五、应变速率敏感性
1、应变速率指数m
ln m 定义为： ln
或者
1
y
ln
真 应 力
一般在0.04数量级，当晶粒尺寸降低到 80nm时，将会降低到0.004。
真应变
图5-9 超细晶粒材料的应力应变曲线。 （a）Cu和（b）Ni。
纳米晶金属铜在拉伸 变形时其应力-应变曲线， 首先很快出现了一个峰值， 接下来出现了软化现象， 这可能是由于颈缩造成的。真 应 应变硬化的消失（dσ/dε=0） 引起了局部的变形，导致 力 ( 了低的延展性。对其他的 M 纳米晶材料，包括Fe(BCC) Pa 和Ti(HCP)，观察到了平坦 ) 的压缩曲线。颈缩多数出 现于剧烈的失稳条件下， 在压实的Fe试样中还观察 到了剪切带。
5.1 纳米晶金属和合金的力学性能
一、孔隙对性能的影响 图5-1显示了Pd和Cu纳米 晶杨氏模量与孔隙率之间的函数 关系。可以看出，杨氏模量随孔 隙率的提高而降低。这已经被许 多的力学模拟和计算结果所证实。 Wachtman提出了一个孔隙率和 杨氏模量之间的关系表达式： E=E0(1-f1p+f2p2) (5.1) 式中 p 是孔隙率，f1和f2分别 等于1.9和0.9。对于相对低的孔 隙率，P2可以忽略不计，于是近 似地得到E/E0=1-1.9p。
图5-6（a）是在纳米尺度范 围内，金属材料屈服强度和伸长 率之间的关系曲线，随着强度的 提高延展性明显降低。 相比较来说，超细晶粒材料 （ultrafine grained materials-UFG） （100nm~500nm）在屈服强度提 高的同时，具有较好的延展性 （图5-6（b））。
归 一 化 后 的 屈 服 强 度
真 应 力
真应变
Gray等
Wei等
图5-10 Cu的应变 速率敏感性随晶 粒尺寸的变化曲 线
在晶粒尺寸低于 某一个临界值的 情况下，应变速 率敏感性会提高
硬 度
超细晶粒尺寸， m=0.027 传统晶粒尺寸， m=0.007 压入应变速率
图5-11 (a) 硬度测量得到 的粗晶和超细晶粒铝的 应变速率敏感性比较。 (b)硬度测量的脉冲电沉 积Ni的应变速率敏感性
四、应变硬化
纳米晶试样中的位错密度是饱和的，这主要是由 于动态回复，或者是位错湮灭于晶粒边界造成的。这 最终导致了低的应变硬化速率。所以只有在大的附加 应变过程中，才能观察到加工硬化。动态回复被认为 只有在剧烈的塑性变形过程中才会出现。由于温度的 提高，回复过程将变形组织转变成了超细晶粒，这种 组织既有低角度也有高角度的晶粒边界。在通过等通 道角挤压（equal angular channel pressing-EACP）和粉 末压制（powder consolidation）制备的试样中，已经 观察到了低应变硬化现象。图5-8显示了通过ECAP工 艺（8道次）制备的UFG铜的压缩和拉伸应力-应变曲 线。压缩时基本上没有加工硬化。拉伸时在屈服应力 处试样出现了颈缩，显示了较低的拉伸延展性。
150 D gb
强 度 MPa
kT d
3
（5.3）
晶粒尺寸-1/2(nm-1/2)
图5-4显示了300K时，应力分 别为100MPa（a）和1000MPa(b)情 况下，应变速率和晶粒尺寸之间的 关系。从这个曲线可以看出，当晶 粒尺寸小于20nm左右时，晶界扩散 过程变得越来越重要。
归 一 化 后 的 屈 服 强 度
延伸率(%)
真 应 力
m3
1/ 2
V
kT
y
（5.4）
真应变
V是塑性变形激活体积分数（它直接与变形的物理机制有 关），T是温度，σy是屈服/流变应力。Lu等人认为高的应变速 率敏感性表明材料的激活体积分数较小，所以与纳米组织的变 化密切相关（例如孪晶的出现）。因此，材料的延展性、应变 速率敏感性和变形机制是互相联系的，可以通过纳米组织的操 控来提高材料的延展性。Zhu和liao 通过大幅度提高生长孪晶的 密度（退火），提高了他们所研究的金属纳米晶的延展性。 图5-7（b）显示了不同晶粒尺寸锌试样的力学性能。随着晶 粒尺寸从238nm变化到23nm，延展性明显降低。Zhang 等人认 为伸长率随晶粒尺寸减小而降低可能是纳米材料固有的特性， 他们研究的这些纳米晶材料没有孔隙，合成过程键和也是很好 的。早期的结果已经表明，纳米晶材料的力学性能可能会被错 误地解释，原因是人们对其内部结构细节了解的缺失。同时， 制备过程带来的污染和孔隙也被认为对延展性有非常大的害处。