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中科院力學(xué)所
納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為尺度效應(yīng)的微觀機(jī)理研究
力學(xué)園地
2014年04月29日
編者按：力學(xué)研究所的三位研究員武曉雷、魏悅廣、洪友士自1999年起，承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金委九五重大研究項(xiàng)目《材料的宏微觀力學(xué)與強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)》；在2007年,他們的研究團(tuán)隊(duì)又組成了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體，？從事“材料強(qiáng)度及災(zāi)變的跨尺度力學(xué)研究”。歷經(jīng)十?dāng)?shù)年堅(jiān)持不懈的研究，相關(guān)的工作成果《納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為尺度效應(yīng)的微觀機(jī)理研究》獲得了2013年度國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。本刊在此對這項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果做一個(gè)簡要的介紹。
這項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果屬于固體力學(xué)的新型材料力學(xué)行為研究領(lǐng)域，它是針對納米結(jié)構(gòu)材料而開展研究的。要了解納米結(jié)構(gòu)材料，我們先得知道什么是“納米”。納米（nm）是尺寸或大小的度量單位,是1米的十億分之一,相當(dāng)于四倍的原子大小、頭發(fā)粗細(xì)的萬分之一。納米材料便是指至少有一個(gè)尺度不超過100納米的物體，相當(dāng)于幾十個(gè)原子聚集在一起。納米結(jié)構(gòu)的基本單元有：原子團(tuán)簇、納米微粒（人們稱之為“零維”單元）、？納米管、納米棒、納米絲（人們稱之為“一維”單元）、納米帶、超薄膜、多層膜（人們稱之為“二維”單元）。它們可以按照應(yīng)用的要求制作成塊體、薄膜、多層膜等不同形式。目前，人們已經(jīng)采用金屬、非金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料等各種物質(zhì)生成了納米結(jié)構(gòu)材料。
納米結(jié)構(gòu)材料作為一種新型材料，具有設(shè)計(jì)精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，而且在受力變形時(shí)還會(huì)派生出新的微觀結(jié)構(gòu)并通過其演化交互作用表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀力學(xué)性能，例如材料的強(qiáng)度和韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料。人們不僅要問：為什么材料的尺度顯著變小其力學(xué)行為就會(huì)顯著改進(jìn)？為了回答這個(gè)問題，就要研究納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為尺度效應(yīng)的微觀機(jī)理，從根本上揭示出其高強(qiáng)高韌等宏觀力學(xué)行為的物理本質(zhì)，這無論在科學(xué)上還是應(yīng)用上都具有重要的意義。基于這種思考，武曉雷、魏悅廣、洪友士和他們課題組針對納米晶、納米孿晶以及結(jié)構(gòu)納米線等材料，從精細(xì)的靜、動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)觀測和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究出發(fā)，揭示出納米結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)形成、演化和交互作用等系列新規(guī)律以及它們對材料宏觀強(qiáng)韌性能的影響機(jī)制。他們所取得的一系列具有原創(chuàng)性和引領(lǐng)性的成果，得到了國內(nèi)外同行的廣泛承認(rèn)和高度評價(jià)。
武曉雷等人的工作主要是針對金屬材料進(jìn)行的。眾所周知，金屬是一種晶體材料，其中的原子按照一定的周期性在空間排列，呈現(xiàn)出規(guī)則的幾何形狀。為了描述晶體的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家把構(gòu)成晶體的原子當(dāng)成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再用假想的線段將這些代表原子的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)連接起來，就形成一個(gè)格架式空間結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家把這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為“晶格”。由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個(gè)完全能夠表達(dá)晶格結(jié)構(gòu)的最小單元，這個(gè)最小單元就叫作“晶胞”。許多取向相同的晶胞組成了所謂的“晶?！?。由取向不同的晶粒組成的物體，叫做“多晶體”，而“單晶體”內(nèi)所有晶胞的取向則是完全一致的。絕大多數(shù)金屬材料是所謂的多晶體。在整塊金屬材料內(nèi)部，每個(gè)晶粒都由三維的空間界面與其近鄰的晶粒隔開，這種界面稱“晶粒間界”（簡稱“晶界”），晶界厚度約為兩三個(gè)原子。晶粒尺寸在納米量級的晶體，統(tǒng)稱為“納米晶”（NC）。作為對比，傳統(tǒng)金屬中的晶粒則稱作“粗晶”。武曉雷課題組通過對多晶鋁和鈷進(jìn)行表面納米化處理并對納米化以后的鋁和鈷進(jìn)行精細(xì)拉伸實(shí)驗(yàn)，首次觀測出孿晶和偏位錯(cuò)沿晶界的形成過程及其與晶界的交互作用機(jī)制，闡明了這類材料的總體增強(qiáng)和增韌機(jī)理。他們又通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和冷軋實(shí)驗(yàn)的靜、動(dòng)態(tài)比對觀測證實(shí)了納米晶鎳的存在起源于晶界的孿晶和偏位錯(cuò)，得出孿晶及偏位錯(cuò)機(jī)制起源于晶界的結(jié)論。他們還對納米晶鎳也開展了拉伸、沖擊和冷軋等靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的比對實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了晶粒發(fā)生孿晶變形的反尺寸效應(yīng)，以及偏位錯(cuò)與孿晶界交互作用而的形成的洛莫-柯垂?fàn)栨i。這些成果為系統(tǒng)地掌握納米結(jié)構(gòu)材料的尺度效應(yīng)規(guī)律、建立跨尺度力學(xué)理論提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。此外，他們針對納米晶、納米孿晶以及結(jié)構(gòu)納米線的力學(xué)行為等現(xiàn)象，開展了系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，獲得了均勻拉伸下的五重孿晶的生成機(jī)制并建立了孿晶和偏位錯(cuò)生成及演化引起材料總體強(qiáng)化的力學(xué)機(jī)制。顯然，這篇短文不可能詳細(xì)涉及這項(xiàng)成果的所有細(xì)節(jié)，這里僅僅通過兩個(gè)例子來展示其中的一二，感興趣的讀者可閱讀獲獎(jiǎng)?wù)叩南嚓P(guān)的研究論文，WuXLetal.,ActaMater.,2002:50,2075;WuXLetal.,ScrMater.,2006:54,1685；Cao？&？Wei，Appl？Phys？Lett，2006：89,041919；Cao？&？Wei.,？Phys？Rev？B,2008:77,195429 ；等等。
圖1是武曉雷研究小組對納米晶鎳體系（NC？Ni）實(shí)施拉伸變形實(shí)驗(yàn)時(shí)由透射電鏡獲得的高分辨圖像，可以看到其中形成了點(diǎn)陣位錯(cuò)（亦稱“全位錯(cuò)”，見中上方六對白色細(xì)實(shí)線所指示的部位）、不全位錯(cuò)（亦稱“偏位錯(cuò)”，見左下方三條紅色細(xì)實(shí)線所指示的部位）、洛莫－柯垂?fàn)柌豢蓜?dòng)位錯(cuò)（亦稱“洛莫－柯垂?fàn)栨i”，見中下方五個(gè)小紅點(diǎn)所形成的部位）以及變形孿晶（見右下方藍(lán)色細(xì)實(shí)線所指示的部位，其中matrix為“基體”，twin為“攣晶”，TB為“攣晶界面”）。力學(xué)和材料科學(xué)的知識告訴我們，“位錯(cuò)”是晶體材料內(nèi)部的一種“線缺陷”，晶格中的原子行列之間發(fā)生了相互滑移，偏離正常原子位置的畸變中心可以連成一條線（它構(gòu)成了晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線）。依據(jù)原子滑移偏離的距離是正常相鄰原子間距的整數(shù)倍或非整數(shù)倍，科學(xué)家把位錯(cuò)區(qū)分為“全位錯(cuò)”和“偏位錯(cuò)”。位錯(cuò)滑移導(dǎo)致了晶體的塑性變形?！皩\生”也是一種基本的塑性變形方式，它是晶體受到外加切應(yīng)力作用時(shí)沿一定的晶面（人們稱之“孿晶界面”）和晶向（人們稱之為“孿生方向”）在一個(gè)區(qū)域上產(chǎn)生連續(xù)的均勻切變的過程。均勻的切變區(qū)和未形變的基體以孿晶界面為對稱面成鏡面對稱關(guān)系，它們合在一起構(gòu)成一個(gè)“孿晶”。常規(guī)的多晶體？(晶粒尺度范圍為50-100？微米)在室溫、準(zhǔn)靜態(tài)條件下的塑性變形行為是位錯(cuò)滑移；它們在低溫或高應(yīng)變速率或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)？(如裂紋尖端)？等情況下，便有可能發(fā)生孿晶變形。然而，它們的納米晶體(晶粒尺度范圍為12-100納米)在常規(guī)條件下卻可以發(fā)生孿生變形。武曉雷課題組通過高分辨透射電鏡的實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了這點(diǎn)，而且發(fā)現(xiàn)由于偏位錯(cuò)與孿晶界的交互作用，可以形成洛莫-柯垂?fàn)栨i。這種位錯(cuò)鎖結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的釘扎效應(yīng)，可以使高密度位錯(cuò)存儲在晶粒內(nèi)部，從而導(dǎo)致了顯著的應(yīng)變硬化效應(yīng)，使材料的強(qiáng)度和冷軋延性都有所提高。這個(gè)研究為深入揭示納米晶材料力學(xué)性能的反Hall-Petch行為和加工硬化的微觀機(jī)理提供了有力證據(jù)。
這項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果屬于固體力學(xué)的新型材料力學(xué)行為研究領(lǐng)域，它是針對納米結(jié)構(gòu)材料而開展研究的。要了解納米結(jié)構(gòu)材料，我們先得知道什么是“納米”。納米（nm）是尺寸或大小的度量單位,是1米的十億分之一,相當(dāng)于四倍的原子大小、頭發(fā)粗細(xì)的萬分之一。納米材料便是指至少有一個(gè)尺度不超過100納米的物體，相當(dāng)于幾十個(gè)原子聚集在一起。納米結(jié)構(gòu)的基本單元有：原子團(tuán)簇、納米微粒（人們稱之為“零維”單元）、？納米管、納米棒、納米絲（人們稱之為“一維”單元）、納米帶、超薄膜、多層膜（人們稱之為“二維”單元）。它們可以按照應(yīng)用的要求制作成塊體、薄膜、多層膜等不同形式。目前，人們已經(jīng)采用金屬、非金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料等各種物質(zhì)生成了納米結(jié)構(gòu)材料。
納米結(jié)構(gòu)材料作為一種新型材料，具有設(shè)計(jì)精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，而且在受力變形時(shí)還會(huì)派生出新的微觀結(jié)構(gòu)并通過其演化交互作用表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀力學(xué)性能，例如材料的強(qiáng)度和韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料。人們不僅要問：為什么材料的尺度顯著變小其力學(xué)行為就會(huì)顯著改進(jìn)？為了回答這個(gè)問題，就要研究納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為尺度效應(yīng)的微觀機(jī)理，從根本上揭示出其高強(qiáng)高韌等宏觀力學(xué)行為的物理本質(zhì)，這無論在科學(xué)上還是應(yīng)用上都具有重要的意義。基于這種思考，武曉雷、魏悅廣、洪友士和他們課題組針對納米晶、納米孿晶以及結(jié)構(gòu)納米線等材料，從精細(xì)的靜、動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)觀測和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究出發(fā)，揭示出納米結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)形成、演化和交互作用等系列新規(guī)律以及它們對材料宏觀強(qiáng)韌性能的影響機(jī)制。他們所取得的一系列具有原創(chuàng)性和引領(lǐng)性的成果，得到了國內(nèi)外同行的廣泛承認(rèn)和高度評價(jià)。
武曉雷等人的工作主要是針對金屬材料進(jìn)行的。眾所周知，金屬是一種晶體材料，其中的原子按照一定的周期性在空間排列，呈現(xiàn)出規(guī)則的幾何形狀。為了描述晶體的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家把構(gòu)成晶體的原子當(dāng)成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再用假想的線段將這些代表原子的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)連接起來，就形成一個(gè)格架式空間結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家把這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為“晶格”。由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個(gè)完全能夠表達(dá)晶格結(jié)構(gòu)的最小單元，這個(gè)最小單元就叫作“晶胞”。許多取向相同的晶胞組成了所謂的“晶?！?。由取向不同的晶粒組成的物體，叫做“多晶體”，而“單晶體”內(nèi)所有晶胞的取向則是完全一致的。絕大多數(shù)金屬材料是所謂的多晶體。在整塊金屬材料內(nèi)部，每個(gè)晶粒都由三維的空間界面與其近鄰的晶粒隔開，這種界面稱“晶粒間界”（簡稱“晶界”），晶界厚度約為兩三個(gè)原子。晶粒尺寸在納米量級的晶體，統(tǒng)稱為“納米晶”（NC）。作為對比，傳統(tǒng)金屬中的晶粒則稱作“粗晶”。武曉雷課題組通過對多晶鋁和鈷進(jìn)行表面納米化處理并對納米化以后的鋁和鈷進(jìn)行精細(xì)拉伸實(shí)驗(yàn)，首次觀測出孿晶和偏位錯(cuò)沿晶界的形成過程及其與晶界的交互作用機(jī)制，闡明了這類材料的總體增強(qiáng)和增韌機(jī)理。他們又通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和冷軋實(shí)驗(yàn)的靜、動(dòng)態(tài)比對觀測證實(shí)了納米晶鎳的存在起源于晶界的孿晶和偏位錯(cuò)，得出孿晶及偏位錯(cuò)機(jī)制起源于晶界的結(jié)論。他們還對納米晶鎳也開展了拉伸、沖擊和冷軋等靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的比對實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了晶粒發(fā)生孿晶變形的反尺寸效應(yīng)，以及偏位錯(cuò)與孿晶界交互作用而的形成的洛莫-柯垂?fàn)栨i。這些成果為系統(tǒng)地掌握納米結(jié)構(gòu)材料的尺度效應(yīng)規(guī)律、建立跨尺度力學(xué)理論提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。此外，他們針對納米晶、納米孿晶以及結(jié)構(gòu)納米線的力學(xué)行為等現(xiàn)象，開展了系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，獲得了均勻拉伸下的五重孿晶的生成機(jī)制并建立了孿晶和偏位錯(cuò)生成及演化引起材料總體強(qiáng)化的力學(xué)機(jī)制。顯然，這篇短文不可能詳細(xì)涉及這項(xiàng)成果的所有細(xì)節(jié)，這里僅僅通過兩個(gè)例子來展示其中的一二，感興趣的讀者可閱讀獲獎(jiǎng)?wù)叩南嚓P(guān)的研究論文，WuXLetal.,ActaMater.,2002:50,2075;WuXLetal.,ScrMater.,2006:54,1685；Cao？&？Wei，Appl？Phys？Lett，2006：89,041919；Cao？&？Wei.,？Phys？Rev？B,2008:77,195429 ；等等。
圖1是武曉雷研究小組對納米晶鎳體系（NC？Ni）實(shí)施拉伸變形實(shí)驗(yàn)時(shí)由透射電鏡獲得的高分辨圖像，可以看到其中形成了點(diǎn)陣位錯(cuò)（亦稱“全位錯(cuò)”，見中上方六對白色細(xì)實(shí)線所指示的部位）、不全位錯(cuò)（亦稱“偏位錯(cuò)”，見左下方三條紅色細(xì)實(shí)線所指示的部位）、洛莫－柯垂?fàn)柌豢蓜?dòng)位錯(cuò)（亦稱“洛莫－柯垂?fàn)栨i”，見中下方五個(gè)小紅點(diǎn)所形成的部位）以及變形孿晶（見右下方藍(lán)色細(xì)實(shí)線所指示的部位，其中matrix為“基體”，twin為“攣晶”，TB為“攣晶界面”）。力學(xué)和材料科學(xué)的知識告訴我們，“位錯(cuò)”是晶體材料內(nèi)部的一種“線缺陷”，晶格中的原子行列之間發(fā)生了相互滑移，偏離正常原子位置的畸變中心可以連成一條線（它構(gòu)成了晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線）。依據(jù)原子滑移偏離的距離是正常相鄰原子間距的整數(shù)倍或非整數(shù)倍，科學(xué)家把位錯(cuò)區(qū)分為“全位錯(cuò)”和“偏位錯(cuò)”。位錯(cuò)滑移導(dǎo)致了晶體的塑性變形?！皩\生”也是一種基本的塑性變形方式，它是晶體受到外加切應(yīng)力作用時(shí)沿一定的晶面（人們稱之“孿晶界面”）和晶向（人們稱之為“孿生方向”）在一個(gè)區(qū)域上產(chǎn)生連續(xù)的均勻切變的過程。均勻的切變區(qū)和未形變的基體以孿晶界面為對稱面成鏡面對稱關(guān)系，它們合在一起構(gòu)成一個(gè)“孿晶”。常規(guī)的多晶體？(晶粒尺度范圍為50-100？微米)在室溫、準(zhǔn)靜態(tài)條件下的塑性變形行為是位錯(cuò)滑移；它們在低溫或高應(yīng)變速率或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)？(如裂紋尖端)？等情況下，便有可能發(fā)生孿晶變形。然而，它們的納米晶體(晶粒尺度范圍為12-100納米)在常規(guī)條件下卻可以發(fā)生孿生變形。武曉雷課題組通過高分辨透射電鏡的實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了這點(diǎn)，而且發(fā)現(xiàn)由于偏位錯(cuò)與孿晶界的交互作用，可以形成洛莫-柯垂?fàn)栨i。這種位錯(cuò)鎖結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的釘扎效應(yīng)，可以使高密度位錯(cuò)存儲在晶粒內(nèi)部，從而導(dǎo)致了顯著的應(yīng)變硬化效應(yīng)，使材料的強(qiáng)度和冷軋延性都有所提高。這個(gè)研究為深入揭示納米晶材料力學(xué)性能的反Hall-Petch行為和加工硬化的微觀機(jī)理提供了有力證據(jù)。
圖1 納米晶鎳?yán)熳冃蔚母叻直嫱干潆婄R照片
圖2則是魏悅廣研究小組采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究納米結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性的一個(gè)實(shí)例：在納米銅（NCCu）中獲得了變形五重孿晶。他們的模擬計(jì)算表明，從晶界不斷發(fā)射的偏位錯(cuò)（圖中b2，b3，b4表示偏位錯(cuò)）導(dǎo)致了順序的孿晶，并最終形成五重孿晶。他們還解釋了五重孿晶結(jié)構(gòu)的納米線比單晶結(jié)構(gòu)的納米線之所以具有更高的強(qiáng)度和更低的延性，是因?yàn)閷\晶界的出現(xiàn)阻礙了偏位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、引起了內(nèi)部應(yīng)力集中。這樣，通過MD模擬的納米銅內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化過程，揭示了孿晶增強(qiáng)的微觀物理機(jī)制。
圖2 五重孿晶形成的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果
應(yīng)當(dāng)說，《納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為尺度效應(yīng)的微觀機(jī)理研究》項(xiàng)目是力學(xué)所從微觀機(jī)制上探索新型材料力學(xué)性能的一個(gè)成果。錢學(xué)森先生在1962年出版的《物理力學(xué)講義》中寫道：“…連基本概念也還不十分清楚的問題,？例如固體強(qiáng)度和塑性變形就是如此,直到現(xiàn)在也還沒有較全面的微觀理論,沒有工程技術(shù)上可用的肯定結(jié)果,…？”，這是力學(xué)大師對我們力學(xué)工作者提出的期望。武曉雷等人的工作就是在這個(gè)方向上做出的一個(gè)努力。
（王柏懿撰文）