采用原位同步辐射衍射研究纳米结构Cu/Ag多层膜的微机械行为

The microstress (the II and III types) is a critical issue in the deformation and damage study of metallic materials. In this proposal, at Shanghai Synchrotron Radiation Facility, in-situ synchrotron x-ray diffraction will be adopted in the micromechanical behavior study of the nanostructured Cu/Ag multilayered films. The microstress and quantitative microstructure characterization will be developed. The nanostructured Cu/Ag multilayers with different modulation periods will be systematically studied and the diffraction patterns at each plastic deformation levels will be collected for the later microstress analyses. The II type stress analyses of each layer phase and interface will be analyzed from the diffraction peak positions. And the quantitative microstructure evolutions, such as dislocation density, dislocation type and arrangement, subcrystallite size, stacking fault type and density, etc., will be carefully extracted through the peak shape fitting. Simultaneously, the traditional microstructure characterization techniques, such as SEM, FIB and TEM, will be also used in the microstructure study. The systematic and reliable microstructures will be provided by the combination of the novel in-situ synchrotron study and the conventional characterizations. The micromechanical behavior and microstructure relationship will be established finally, and the deformation mechanism of the nanostructured Cu/Ag multilayers will be revealed.

微应力（第II类和第III类应力）研究现已成为金属变形损伤研究的关键。在该项目的研究中，我们将在上海光源采用同步辐射x射线衍射的方法，对Cu/Ag纳米结构多层膜的微机械行为进行研究，发展同步辐射微应力和定量微结构的表征方法。通过对不同周期的Cu/Ag纳米多层膜进行系统的原位研究，收集其在不同塑性变形阶段的衍射数据进行微应力分析。通过对衍射峰峰位（peak position）的分析，开展组元层应力和界面应力（第II类应力）的研究；通过开展衍射峰形状(peak shape)的分析，研究与第III类应力相关的定量微结构演化（如位错密度、位错类型和分布，亚晶粒尺寸，堆层错类型和密度等）。同时，将与传统的离线微结构表征方法相结合（SEM、FIB和TEM等）,为材料变形提供全面可靠的微结构信息，建立起纳米结构多层膜Cu/Ag的力学性能和微结构之间的关系，揭示其变形断裂机理。

工程部件在制备和使役过程中存在复杂应力场，根据作用尺度和应力范围分为三类应力，第I类为宏观应力，第II类和第III类为微观应力。本项目主要以研究微观应力为主，利用同步辐射x射线衍射的方法，在对金属纳米材料的机械行为进行研究时发展同步辐射应力和定量微结构表征方法。通过对衍射峰峰位（peak position）的分析，开展了第II类应力的研究，通过对衍射峰形状（peak shape）分析，研究了与第III类应力相关的定量微结构信息，包括位错密度、位错类型和分布，亚晶粒尺寸，堆垛层错类型和密度等等。..发展第II类微观应力研究时采用的是纳米Cu/Ag多层膜，通过制备不同的叠加顺序获得不同界面比例的样品，然后通过研究拉伸过程中不同晶格应变的演化进而推算界面应力变化。研究结果表明，在拉伸过程中，纳米多层膜中的软相（Ag）和硬相（Cu）承担不同的力，即应力分区，呈现出弹性、弹-塑性和塑性变形三个阶段，且界面应力是沿着拉伸方向的，这将加快薄膜的断裂。..发展第III类应力相关的微结构信息（包括位错类型和密度、亚晶粒尺寸、堆垛层错类型和密度等）研究时,由于原定的Cu/Ag纳米薄膜信号较弱，换用了纳米Ni-Fe合金以保证获得优质的多衍射峰开展分析研究。采用卷积多峰全谱拟合（CMWP）的方法获得完美衍射峰拟合，获得了定量的微结构信息，这些定量的微结构信息与模拟和计算工作呼应，从而揭示了该纳米合金的变形机理为位错协助的应力应变耦合作用机理。..该项目中使用的分析技术可应用在其他任何晶体材料的微观结构研究中，弥补常规、传统的微结构表证方法的不足，与传统方法一起为材料提供全面、系统的微结构信息。