微米金属单晶的变形行为及其晶体学与尺度效应

针对材料力学性能表征理论的不足，以面心立方、体心立方及密排六方与形状记忆合金金属单晶为模型材料，采用三个截面面指数已知的立方形微米尺度试样代替通常的圆柱试样，借助迹线法准确判断材料的滑移、孪生或马氏体相变惯习面指数。通过改变试样尺寸与长宽高的比值，获得激活位错滑移、孪生和变形诱发相变的临界应力和抑制上述行为的晶体临界尺度及其对试样几何形状的依赖性。同时关注随晶体结构、晶体取向及试样尺度改变引起的变形方式转换及其相互协同规律。进而利用透射电镜纳米压入和原位观察耦合新技术，并结合分子动力学模拟结果，阐明材料晶格位错滑移、孪生及应力诱发相变的试样表面约束效应及其在塑性变形过程中的本征行为。为理解微米金属单晶的变形行为及其晶体学与尺度效应提供直接的实验依据，并据此发展微尺度约束下材料塑性变形微观机制的晶体学基础，建立相关的物理力学模型，为低维材料力学性能表征与可靠性评估提供明确的物理依据。

研究了微密尺度下密排六方（HCP）、面心立方（FCC）和体心立方（BCC）金属单晶塑性变形过程中位错和孪晶萌生、运动及它们相互之间作用的规律。分析了不同微观尺度金属晶体变形机理及其存在的临界尺度范围。. 选取Ti-5%Al密排六方单晶中以孪晶变形为主的[0001]位向，利用纳米压入仪对微柱体压缩与相应的透射电镜原位压缩的定量变形表征技术，研究了孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理。发现孪晶变形表现出更强的尺度依赖性。测定的“Hall-Petch”关系指数接近1，远高于大块结构材料晶粒尺寸与强度关系式中的0.5指数。同时发现材料的塑性变形方式发生了根本性的转变。孪晶变形最终受到晶体外观几何尺寸的约束而被抑制，由位错滑移替代。材料所能承受的最大流变应力亦呈现出一种“强度饱和”的奇异现象。. 借助于原位高分辨透射电镜，对理想组织状态的FCC金颗粒和铝单晶原位压缩研究发现：只有当晶体的体积大于临界尺寸时，位错才可能发生缠结，并存储于晶体中。这时晶体才会表现出传统的塑性变形机制及特性。面心立方金属的应变突发机制依赖于试样尺寸。小尺度试样，位错呈现爆发式、相互关联式的萌生和运动特征，试样塌陷后内部没有位错残留。而大尺寸试样中原始位错通过自组织形成胶着组态。. 发现“机械退火”现象在BCC钼中同样存在。澄清了此前研究中关于体心立方金属材料中不会发生“机械退火”的说法。同时发现了伴随“机械退火”现象，尺寸效应本身也具有尺寸效应，即直径在70—200nm范围内的小圆柱状材料强度尺寸效应三倍于200nm以上柱体。基于实验结果所提出的理论模型不仅解释了BCC和FCC金属材料强度尺寸效应的不同，而且解释了Mo晶体的尺寸效应本身表现的尺寸依赖性。. 分子动力学模拟结果发现BCC钨金属纳米线在拉伸时会发生大范围的类似马氏体相变的等应力孪晶变形，并表现出与已知FCC金属（如铜, 镍）纳米线相似的超弹性行为。但是令人惊奇的是，钨金属纳米线在加载和卸载循环过程中几乎没有损耗。并发现这种低损耗来源于钨金属孪晶界的本征移动能力——钨金属孪晶界具有非常低的移动阻力。基于此，作者设计出了以表面能为媒介、高效存储和释放机械能的新装置—“纳米弹簧”（具有预设孪晶界的纳米线）。指出超弹性行为在立方金属的纳米线中是一个普遍的现象，内在机制均来源于表面能驱动的可逆孪晶。