薄膜与微尺度材料及力学性能课题组-中国科学院金属研究所
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界面对层状结构金属断裂行为影响的研究取得新进展
2020-05-08  |          【 】【打印】【关闭

  具有均匀结构的金属材料一直以来存在强度与韧性的倒置关系,即随着晶粒尺寸逐渐细化到亚微米和纳米尺度,金属材料的强度大幅提高但其韧性由于晶界密度的增加和加工硬化能力的丧失而显著下降。一旦应变局部化发生,剪切带会过早形成并且导致灾难性的宏观剪切断裂的出现。因此,较低的拉伸塑性以及脆性断裂行为严重地制约了纳米晶材料的实际应用。近年来,人们通过在金属中构筑梯度、层状等多级多尺度的异质结构实现了强度和韧性的同步提高,其中硬组元贡献强度,共变形过程中产生的界面耦合效应诱发协同强化和额外加工硬化,而软组元通过有效的界面约束来抑制应变局部化从而贡献塑性。人们发现,硬组元自身可以通过产生高密度的微剪切带可以提升塑性以及实现韧性断裂,而软硬组元界面两侧的晶粒尺寸差异(微观结构衬度)则是形成微剪切带的重要前提,因此通过调控界面两侧微观结构衬度应该可以实现异质结构金属的强度以及韧性断裂的最优匹配。

  针对上述关键科学问题,本课题组通过制备出一组不同硬软组元厚度比的层状结构镍,重点研究了界面两侧微观结构衬度对层状结构镍拉伸断裂行为的影响。研究发现,随着与单质纳米晶镍相比,具有大的界面微观结构衬度的层状结构镍在不牺牲抗拉强度的前提下,断裂延伸率得到较大提升,如图1所示。研究发现,大的界面微观结构衬度可以有效抑制硬组元中剪切带的演化和扩展,从而形成均匀应变分布的多重微剪切带,其能够承担较大塑性应变并实现应变去局域化。随着界面两侧微观结构衬度的降低以及层界面对微剪切带扩展阻力的减小,层状结构镍的断裂模式由伴随多重微剪切带的韧性断裂模式向少数宏观失稳剪切带主导的脆性断裂模式转变。为此,我们提出一种基于较软组元层的变形机制随着晶粒尺寸减小由晶内位错发射向晶界协调变形(晶粒转动/晶界滑移)转变的力学模型,并获得了对应高强度和韧性颈缩断裂的最优匹配的临界软层晶粒尺寸,如图2所示。上述研究结果一方面加深了高密度微剪切带提升层状结构金属塑性的认识,另一方面对异质结构强韧化的结构最优化设计具有重要的指导意义(研究工作发表在International Journal of Plasticity. doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102745)。

图1 均匀/异质结构镍的抗拉强度和断裂延伸率力学性能汇总。

图2 局部剪切应力τs和开动Frank-Read位错源的临界最小剪切应力τF-R与软层晶粒尺寸的关系图以及不同界面两侧微观结构衬度对微剪切带演化影响的示意图。

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薄膜与微尺度材料及力学性能研究团队

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