微尺度钛单晶塑性变形的应变突发特性及其机制

微尺度金属晶体不仅表现为高强度和"越小越强"的特性，而且其塑性变形过程亦有别于块体材料持续加工硬化行为。微尺度金属单晶均表现出强烈的应变突发特性，同时其加工硬化能力几乎丧失。本项目选择纯钛单晶作为研究材料，通过块体和不同尺度微尺度试样力学性能的测试，通过位错滑出样品表面形成台阶的尺寸分析，探讨微尺度金属的塑性变形过程位错源启动和发射位错过程。根据微尺度晶体应变突发的特性提出自由位错源模型，构建自由位错源控制下的微尺度金属塑性变形过程，分析微尺度金属加工硬化特征阶段及其位错机制。确定自由位错源的临界晶体尺寸，并与位错自由程参数建立对应的关系，明确自由位错源临界尺度的物理含义。通过亚微米尺度纯钛单晶原位压缩实时观察位错源开启并发射位错过程，为微尺度金属突发式塑性变形过程的表征理论提供有力的试验依据。本项目研究是对金属塑性变形理论的发展，也是对微系统金属构件安全设计提供试验支持。

微尺度金属晶体的变形和力学性能与块体晶体显著不同，尤其是强度和形变方式对晶体尺寸依赖性较大。课题对纯钛单晶微尺度下变形行为和力学性能展开了深入研究，并对变形前后晶体的形貌和内部缺陷结构进行了观察和分析，取得结果如下：（1）纯钛晶体强度的尺寸效应及其规律的揭示。微纳米尺度纯钛的强度以位错萌生为主导，尺寸小则导致晶体中位错源数量和尺度减小，增加位错源开动产生位错的阻力，因此强度增加；通过计算模拟发现“越小越强”存在极限尺寸，当纯钛尺寸小于7-8nm时，晶体的强度随尺寸的减小而减小，呈现“越小越弱”。（2）微纳尺度纯钛晶体变形规律和特点。微纳尺度纯钛单晶沿[11-20]压缩变形在[10-10]面上出现清晰的滑移台阶。滑移台阶形成与应变突发行为吻合较好，表明微纳尺度纯钛中位错行为产生的瞬时性特点。试样压缩变形形貌特征表明较大尺度（1微米）可发生交滑移，较小尺度交滑移难以发生，更小尺度（200nm以下）试样变形集中在顶端，形成蘑菇头状变形特征。揭示纯钛变形机制的尺寸依赖性，沿[11-20]位向压缩，在块体和大于1微米的晶体中可产生孪晶，但是块体晶体中孪晶尺寸较大，长而宽；而微米尺寸晶体中孪晶小，为细针片状。小于1微米的晶体中很难形成孪晶。(3)通过计算模拟发现纯钛单晶变形机制和力学行为存在拉压不对称性。沿[0001]位向压缩为位错滑移主导的变形，但是拉伸则产生孪晶。进一步分析发现，拉伸时孪晶区域形成了FCC结构区域，即发生了由HCP向FCC的相变，这种现象在纯钛晶体变形中非常罕见。