第五章 纳米晶材料的力学性能

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：
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。
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。
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。
来自百度文库
真应变
图5-9 超细晶粒材料的应力应变曲线。 （a）Cu和（b）Ni。

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
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。
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。
杨氏模 量
孔隙率
图5-2是Cu和Pd金属中， 屈服应力随压实密度变化的 关系曲线。 显然，屈服强度受到了 压实密度的强烈影响。这可 能是已经存在的孔隙为裂纹 的扩展乃至材料的断裂失效 提供了初始位置。
密度
二、屈服强度
多晶材料的屈服应力与其晶粒尺寸之间的关系遵循HallPetch关系， 即： 1 / 2
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。
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：
（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。
真 应 变
(MPa)
真应力
动态 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
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
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。
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
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

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。
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