微納鉬單晶體機械退火及其強度尺寸效應研究取得新進展
2012年01月17日 10:21 5252次瀏覽 來源： 中國有色網(wǎng) 分類： 新技術
最近，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室單智偉教授和其合作者在國家杰出青年科學基金等項目的資助下，對微小尺度金屬單晶材料中的變形行為及其對材料力學性能的影響進行了深入的研究。該研究首先采用分子動力學模擬確認了高應力的確可以使BCC金屬中螺位錯的運動速度和刃位錯的運動速度相當。然后，利用聚焦離子束加工出了一系列尺度遠小于此前研究的單晶鉬微納柱體，并系統(tǒng)地研究了其壓縮力學行為。他們發(fā)現(xiàn)，在體心立方單晶(BCC)鉬中存在著與面心立方(FCC)相類似的“機械退火”現(xiàn)象，從而顛覆了人們此前對于BCC金屬的有關認識；同時，他們還發(fā)現(xiàn)金屬鉬的強度尺寸效應本身具有階段性，并提出模型合理地解釋了所觀察到的現(xiàn)象。該研究結果在線發(fā)表于2011年11月22日的Nature Communications。
所謂“機械退火”，或“力致退火”是指室溫條件下外加應力/應變使微納尺度面心單晶體中位錯密度顯著降低甚至完全消除的現(xiàn)象。但由于BCC金屬在塑性變形中的尺寸依賴性要弱得多，計算機模擬發(fā)現(xiàn)BCC金屬的螺位錯存在自增殖現(xiàn)象，以及迄今為止所有關于BCC金屬的試驗研究都沒有發(fā)現(xiàn)“機械退火”現(xiàn)象，所以人們普遍認為BCC金屬中不存在“機械退火”現(xiàn)象，并且認為其根源在于兩者位錯芯結構不同，這導致BCC金屬中螺位錯的運動速度遠小于刃位錯的運動速度。由于位錯的極限運動速度是聲速，因此一個令人感興趣的科學問題是：在超高應力作用下，是否能夠縮小BCC金屬中螺位錯和刃位錯的運動速度差異，甚至使其相近？如果是，BCC金屬中就應該存在“機械退火”現(xiàn)象，同時其流變應力的尺寸依賴性也會提高到FCC金屬的水平。
材料行為尺度效應是微-納米科技(比如MEMS/NEMS器件、金屬連接線、抗輻照多層膜等高性能長壽命設計等)的基礎，發(fā)現(xiàn)BCC金屬晶體有著與FCC金屬晶體類似的機械退火現(xiàn)象和強烈的強度尺寸效應，對于納米科技領域材料性能尺度效應表征及其選材和加工等具有重要意義，同時該研究也將為微納米器件的設計者們提供堅實的實驗數(shù)據(jù)和理論指導。(據(jù)國家基金委)
責任編輯：安子
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