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    我国学者发现金属变形孪晶的强烈晶体尺寸效应

    日期 2010-04-21   来源:工程与材料科学部   作者:车成卫  【 】   【打印】   【关闭

    第10期
    (总第546期)

      近年来,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室在一系列国家自然科学基金项目的支持下,对微小尺度金属单晶材料中的孪晶变形行为及其对材料力学性能的影响进行了深入的研究,发现单晶体外观几何尺寸对孪晶变形行为有强烈影响,相应地力学性能也发生了显著变化。该研究结果已发表在2010年1月21日出版的《Nature》杂志上。评审人对此项研究中的首创性工作印象深刻,并认为作者在材料力学性能尺度效应的研究方面取得了重大进展。

      伴随着微电子元器件与微机电系统(MEMS)等技术的进步,所用材料外形特征尺寸的下限已经逐渐减小至亚微米甚至纳米量级。在这类微纳尺度材料中,材料变形载体,如位错线或者孪晶缺陷,其特征尺度与作用空间,已经与材料的外部几何尺寸处于相近量级。在这种情况下,孪晶是否仍然会发生?其临界条件和材料性能是否会随尺寸而改变?这些都是当前材料科学领域中的前沿性课题,也是设计工程师非常感兴趣的问题。

      作为材料开发和应用的重要环节,如何准确测量和表征微小器件在制备和服役过程中的力学性能,是高性能器件设计制备与安全使用中的关键性课题,也是材料科学研究必须回答的问题。以往人们耳熟能详的是位错滑移变形材料强度对晶体尺寸的依赖关系,但对变形孪晶的尺寸依赖性却知之甚少。他们的工作表明,当材料的尺寸小于临界特征值后,孪晶变形表现出更为强烈的尺度依赖性和更大的特征尺度。

      通过研究孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理发现,当外观几何尺度减小到微米量级时,尽管材料的塑性变形仍以孪晶切变为主,但材料的屈服强度及其塑性变形中能够承受的最大流变应力却显著提高,分别达到其宏观值的约5倍和8倍,表现出很强的尺度依赖性。

      当晶体的几何尺寸减小到1微米左右时,材料的塑性变形机制由孪晶变形为主转变为普通的位错滑移变形,而材料所能承受的最大流变应力亦呈现出接近于实验材料理想强度水平的“应力饱和”现象。

      文中还提出了以螺位错为媒介的孪晶变形“受激滑移”模型,与实验值吻合良好,有助于解释孪晶变形机制和强度的尺度依赖性。

      该研究结果对于系统认识微小尺度材料的力学行为有着十分重要的意义。对于微电子元器件与微机电系统(MEMS)所用材料的性能表征评价与设计、特别是利用其强度的强烈晶体尺度效应进行微纳加工等具有重要的指导作用。

      该研究得到了国家自然科学基金面上项目、国际合作重大项目、重点项目和国家杰出青年科学基金的资助。

    (工程与材料科学部 车成卫)




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