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西交大单智伟教授团队

在实验测定金属理想强度方面取得新进展

    近日,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心(简称微纳中心,http://www.campnano.org )单智伟教授团队关于实验测定纯铁理想强度的论文在著名材料期刊《Advanced Materials》在线发表。该工作运用先进的原位定量纳米力学测试技术和基于原子间相互作用势的有限元分析方法,对球形纳米铁球压缩强度的尺寸效应进行了系统研究,发现当纳米铁球的尺寸小于特定临界尺寸时,其最大压缩接触强度会达到一个应力平台,对应的屈服剪切应力与理论计算的纯铁理想剪切强度一致,从而在实验上首次证实单晶体在单轴载荷条件下也可以支撑理论强度的外加应力。
    金属材料的理想剪切强度是指完美晶体在发生塑性变形前所能承受的最大剪切应力,其理论估算值为G/2p,G是金属的剪切模量。然而,由于晶格缺陷的存在(位错和点缺陷),实际金属材料的屈服强度通常比理想剪切强度要小2~3个数量级。近年来,世界各国科学家对微纳尺度样品的强度尺寸效应进行了系统的研究,发现随着样品尺寸的减小,金属材料的强度会越来越高,即“越小越强”效应。但是,截止目前,仅有纳米压入实验能够测到接近或超过理论强度的应力,而且由于纳米压入实验的应力条件非常复杂,其结论存在争议。微纳中心的研究者调研发现,球形样品可以有效防止常规方形或圆柱状样品接触面因常见的非完美接触而产生的应力集中问题,从而能有效避免小尺度样品因局部变形而导致的过早屈服;另外,在压应力作用下,球形样品的最大应力位于样品内部而非表面,因此可以有效抑制由于样品表面缺陷成核而导致的塑性屈服。基于上述考虑,研究人员选取用特殊方法制备的微纳尺度的球形纯铁颗粒作为研究对象,并对其进行的原位定量的研究。结果发现,纳米铁球的屈服强度尺寸效应展现出两阶段特征:1. 随着球形颗粒直径减小,接触强度展现出常规的越小越强趋势;2. 当纳米铁球小于临界尺寸(~210 nm)时,接触强度达到一个应力平台区,即纳米铁球强度与尺寸没有依赖关系(见下图)。相应的理论计算表明,具有最大接触强度的纳米铁球内部的剪切屈服强度达到~9.4 GPa, 与第一原理和Frenkel模型预测的纯铁理想剪切强度一致。

该项目由西安交通大学单智伟教授和沙特阿卜杜拉国王大学张西详教授共同提出,在微纳中心韩卫忠教授、黄琳博士、马恩教授、李巨教授、李庆杰硕士、刘博宇博士同日本大阪大学Ogata教授和Kimizuka教授、美国桑迪亚国家实验室Weinberger博士、美国匹兹堡大学Z.C. Yang博士的密切合作下共同完成。
   该研究得到了国家自然科学基金(51231005, 51471128, 11132006 和51321003)、国家973计划项目(2012CB619402)和西安交通大学新教师支持计划等项目的共同资助。

文章链接: http://dx.doi.org/10.1002/adma.201500377

A.零厚度的折纸模型,B.基于厚板折纸理论的厚板折展过程

 图1.纳米铁球最大压缩接触强度随其直径减小的变化趋势

郑雁军

 
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