面心立方晶体强度与塑性变形机制的尺寸效应

In the project, typical FCC metals (Al, Ni, Cu and Ag) single crystals and bivrystals with large-angle grain boundaries or twin boundaries will be employed to machine the samples with size of 1-100 micrometer. Then, high-presion low-loading testing machine will be used to apply stress or strain to the samples above to in-situ investigate their deformation mechanisms and strength under scanning electron microscopy (SEM) or transmission electron microscopy (TEM). The effects of crystallographic orientation, stacking fault energy, grain boundary, twin boundary and sample size on the deformation and strength of the single crystals and bicrystals will be revealed with SEM or TEM. The main goals include: 1) to reveal the size effects of orientation and stacking fault energy on the tensile/compressive strength and deformation mechanisms of the single crystals pillars; 2) to reveal the size effects of the grain boundary or twin boudary on the tensile/compressive strength and deformation mechanisms of the bicrystals pillars. In combination with the crystallographic orientation, stacking fault energy, grain boundaries and twin boundaries, the physical nature of the palstic deformation mechanisms will be explored. In terms of the strength thoeries on the smaples with different size range above, the strengthening mechanisms and strength theory will be further developed for better understanding on the relation between materials nature and their mechanical properties.

选择不同晶体取向面心立方铝/镍/铜/银单晶体、含大角晶界和孪晶界的铜双晶体作为研究对象，制备直径或厚度为1-100微米的小尺寸样品，采用高精度平压头压痕仪、高精度微小载荷试验机和扫描（透射）电镜的原位载荷施加系统，对上述微小尺寸样品进行压缩或拉伸力学性能试验，研究具有不同晶体学取向和层错能的小尺寸单晶体、含大角晶界与孪晶界的铜双晶体的强度与塑性变形行为，结合扫描与透射电镜观察开动的滑移系及位错组态：1）揭示晶体取向和层错能对不同面心立方金属单晶体压缩/拉伸强度与塑性变形机制影响的尺寸效应；2）揭示大角晶界和孪晶界对铜双晶体压缩/拉伸强度与塑性变形机制的影响尺寸效应。结合晶体取向、层错能和晶界与孪晶界等内在因素进一步认识小尺寸单、双晶体塑性变形机制的物理本质，并利用强度理论分析上述不同晶体材料强度变化的尺寸效应，为提出或发展新的强化机制与强度理论提供实验证据和理论基础。

在过去的将近一个世纪，块体金属材料的变形机制得到了系统研究和深入认识。随着纳米金属材料制备技术的发展，人们发现传统的理论无法解释纳米尺度下的一些特殊力学现象。人们利用聚焦离子束（FIB）等方法，制备出微小尺寸的样品，对其进行力学性能试验。多种材料的单晶小柱子拉伸或压缩发现，材料的屈服强度随着样品尺寸以“越小越强”的趋势升高，在变形过程中还会由于位错雪崩现象导致离散的应变突发现象。晶界在小尺度双晶中的体积分数较高，作用明显，适合用来研究晶界在材料变形中的作用，目前关于含有晶界的小柱子的研究结果较少且结果较为分散。为了更好的揭示小尺度样品力学性能的影响因素，我们对微米尺度的单晶以及含有单个晶界的双晶体进行压缩试验，在研究微尺度双晶的压缩变形行为的基础上揭示晶界在小尺度材料变形中的作用。研究发现，微米级双晶小柱子的流变应力随样品尺寸减小而升高，表现出明显的尺寸效应，两侧单晶小柱子取向不同从而流变应力不同，也存在明显的尺寸效应。与两侧的组元单晶小柱子不同，双晶小柱子的压缩应力-应变曲线表现出台阶式的加工硬化行为。台阶对应的应力升高值对同一尺寸的双晶来说约为一定值，此应力升高值与晶界对位错滑移的阻碍作用有关，随着样品尺寸的降低而升高。不同类型的晶界都能带来双晶的台阶式加工硬化行为，但强化效果不同，取决于晶界附近的应变相容性。当双晶小柱子尺寸小到1µm时，在较高的应力作用下，位错滑移可以冲破晶界的阻碍作用，从而使滑移带穿过晶界。另外，纳米压痕实验发现，随着固溶元素含量的升高，层错能降低，尺寸效应变明显。我们的研究结果揭示了微尺度双晶的变形行为，阐明了面心立方单晶体取向，层错能特别是晶界类型对不同尺寸微尺度材料塑性变形的影响，扩展了人们对晶界在材料变形中作用机制的认识。