西安交大科研人员首次构建微纳尺度金属铝的变形机制图

威尼斯官方网站变形机制图对于设计和制备出高性能长寿命的金属构件至关重要。早在1972年,Ashby就已经构件出了块体金属材料的变形机制图(DMMs)来描述金属在不同温度和应力下变形机制随应变速率的演化。随着功能器械的日益微型化,芯片、微型传感器、微型电子机械等许多高精尖器件通常都包含微纳尺度的金属基功能构件,而在实际服役环境下,这些构件通常受到温度和应力的双重影响。但不同于宏观块体材料,微纳尺度金属材料的变形机制除了受到温度和应力的影响之外,还受到构件外观尺寸的显著影响。这意味着为了精准设计出微纳尺度的高性能长寿命金属构件,就必须精确测绘出金属材料在微纳尺度特有的变形机制图。为此,首先要克服的困难就是要开发一种适合于测绘微小试样变形机制图的技术。基于在该领域长期的积累,西安交大单智伟研究团队开发出了基于透射电子显微镜的原位高温定量纳米力学测试技术,并选取单晶金属铝为研究对象,在25-400℃的温度范围和150-1000nm的尺寸范围内对其进行了测试,首次构建出了微纳尺度金属铝的变形机制图。

微纳尺度单晶铝的变形机制图

金属的变形机制随温度和样品的外观尺寸而发生变化。当温度升高到某一临界温度Tc时,主导金属变形的机制也将发生从位移型(位错和孪晶)向扩散型的转变。在Tc温度以下,塑性变形以位错为主要载体,表现为微柱宏观塑性变形的不连续性,沿着滑移方向发生应变突跳;而在Tc以上温度,材料的变形由扩散机制主导,表现为塑性变形较为连续且集中于圆柱顶部,形成蘑菇状形貌,这和宏观块体材料行为类似。但微纳尺度样品所独有的特点是,变形机制也受到样品尺寸的显著影响。在应力-样品尺寸图中,在三个区域的交汇点处存在一个“最强尺寸”,样品在大于此尺寸时表现为“越小越强”,而在小于此尺寸时表现为“越小越弱”。同时,在扩散塑性区,样品的变形集中在样品顶部,在变形和未变形部分之间存在一个明显的界面。上述变形机制图可以帮助科研人员和器件设计人员确定材料在特定条件下的主导变形机制、转变的临界条件以及在特定条件组合下的“最强样品尺寸”等。

该成果以《亚微米尺度铝的变形机制图》(Deformation mechanism maps for sub-micron sized aluminum)为题刊登在《材料学报》(Acta Materialia)杂志上。西安交通大学解德刚副教授为论文的第一作者,美国麻省理工学院李巨教授、西安交通大学单智伟教授为本论文的共同通讯作者。参与此工作的还有日本大阪大学尾方成信(Shigenbu Ogata)教授,约翰霍普金斯大学马恩教授,西安交通大学硕士毕业生张荣荣(现法国里昂国立应用科学学院在读博士研究生),博士研究生聂志宇以及硕士研究生李晶。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、陕西省博士后科学基金和陕西省自然科学基金等项目的共同资助。

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威尼斯官方网站微纳尺度材料行为研究中心(Center for Advancing Materials Performance from the Nanoscale, CAMP-Nano)致力于系统定量地构筑起微纳尺度材料的知识理论体系,为其规模化的工业化应用构建起坚实的理论根基和方法论指导。2010年至今,微纳中心发表署名文章190余篇,包括学术知名期刊《自然》2篇,《科学》5篇,《自然材料》3篇,《自然通讯》11篇,《先进材料》3篇,《纳米快报》14篇,《物理评论快报》3篇等,授权专利42项。本研究依托中心团队最新开发的微纳尺度原位力热耦合测试技术,该技术有望在微纳尺度高温力学领域取得一系列突破性的发现,为进一步认识微纳尺度材料力学性能奠定基础。