不同层错能纳米晶金属材料变形机制的原位原子尺度研究

Nanostructured materials always exhibit unusual plastic deformation and mechanical behaviors.These nano-related deformation and mechanical behaviors, which are derived from size and dimensional effects and the low density of defects and considerably different from their conventional bulk counterparts. because of experiment results lacking, the deformation mechanisms of nanocrystalline is the subject of considerable debate.There are still several unsettled issues such as: 1) whether the inverse Hall-Petch effect is really exist? 2)Is there exist an crtical grain size,at which the dislocation activities subside, giving way entirely to the sliding of grain boundaries.3) The effect of the stacking faults energy on the deformation behaviors and so on. The current project aimed to investigate the atomic-scale deformation mechanisms of nano-structured metals with our newly developed techniques. This project focus on the following three aspects: 1. the size effect (grain size varies from the Hall-Petch effect region to the inverse Hall-petch effect region) on the atomic-scale plastic deformation mechanisms of nanocrystalline platinum (with high stacing fualts energy). 2. the size effect on the plastic deformation mechanisms of nanocrystalline gold (with low stacing fualts energy).3. Beside the size effect, the stacking fualts energy effect on the palstic deformation will also be discussed.

纳米结构材料由于显著的尺寸效应使得它的物理性质以及变形方式不同于块体材料。目前，由于实验数据的缺乏，对于纳米材料的塑性变形机制还存在争议:1)"反Hall-Hetch效应"是否存在；2)当晶粒小于某一个临界尺寸后，晶内位错行为是否可以被完全抑制；3)堆垛层错能对纳米晶金属材料塑性变形行为的影响等。本项目利用申请者所依托的研究团队所发展的特殊技术:"透射电子显微学可控双倾拉伸技术"将深入研究以下内容:1）晶粒尺寸的变化(从传统的"Hall-Petch区域"到"反Hall-Petch区域")对纳米晶金属塑性行为的影响；2)不同晶粒尺寸的高堆垛层错能（Pt）纳米晶金属和不同晶粒尺寸的低堆垛层错能（Au）纳米晶金属在拉伸应力、应变作用下的显微结构演变及其塑性变形的实验原子机制；3)对比研究堆垛层错能对纳米晶金属塑性变形行为的影响。

本项目利用原创的原子层次下材料力学行为研究技术，实现了多面心立方结构纳米多晶，单晶及体心立方结构纳米单晶塑性变形机制的研究，其中纳米多晶包括具有高对多层错能的纳米晶Pt，以及低堆垛层错能纳米晶金属Au。主要成果包括：1）发现了依赖于晶粒尺寸的晶内位错枯竭现象，揭示出遵循霍尔佩奇效应的晶内位错形核的极限尺寸降至6纳米（理论预测的0.4倍），纳米晶材料理论强度相应提高30%；建立了“晶界原子攀移”的晶界塑性新模型，直接在原子尺度证实了确实存在“反Hall-Petch 效应”；2）揭示出低堆垛层错能纳米晶金属Au 在拉伸作用下同样存在依赖于晶粒尺寸的晶内位错枯竭现象，且晶界塑性是通过晶界迁移来实现，与之前理论预测相同； 3）揭示出高层错能金属中的孪晶形核不同于传统的连续形核机制，构建了纳米晶中孪晶形核的“非连续”模型，从而解开了高孪晶形核能金属纳米中孪晶为什么会产生的科学谜团；4）首次发现~20nm单晶Pt塑性变形中有大量位错存储、相互反应等原子错排等行为。构建了纳米尺度单晶塑性变形的“位错填充”以及“位错饱和”模型。补充了之前人们普遍认为小尺寸单晶中的塑性变形是“位错饥饿模型”的认识；5）发现了在大弯曲应变下，具有孪晶结构的纳米线中出现晶界，晶界的形核是通过局域原子扭曲，小角度晶界处的原子非晶化而形核的全新晶界形核方式，提出了金属中晶粒细化的“晶格弯曲”模型；6）基于原位TEM 实验，发现单晶Mo,Ta 在纳米尺度下具有良好的均匀塑性变形能力；揭示出减小纳米线的尺寸以及长径比，可提高体心立方金属的塑性变形能力，为具有大塑性能力金属材料的开发指明了方向。 .在Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano等国际SCI期刊发表论文10篇，获批发明专利1项，初审通过1项。本人2016年获北京市科学技术一等奖（排名第5）、国家自然科学基金委优秀青年基金支持、霍英东基金支持；获得北京市科技新星、郭可信优秀学子奖等。培养博士生2人，硕士生3人，校级优秀硕士毕业生1人；受邀参加国际国内会议6次，邀请报告6次。