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中科院力學所
納米結構材料力學行為尺度效應的微觀機理研究
力學園地
2014年03月17日
編者按：力學研究所的三位研究員武曉雷、魏悅廣、洪友士自1999年起，承擔了國家自然科學基金委九五重大研究項目《材料的宏微觀力學與強韌化設計》；在2007年,他們的研究團隊又組成了國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體， 從事“材料強度及災變的跨尺度力學研究”。歷經十數年堅持不懈的研究，相關的工作成果《納米結構材料力學行為尺度效應的微觀機理研究》
獲得了2013年度國家自然科學二等獎。本刊在此對這項獲獎成果做一個簡要的介紹。
納米結構材料作為一種新型材料，具有精細設計的微觀結構，而且在受力變形時還會派生出新的微觀結構并通過其演化交互作用表現出優(yōu)異的宏觀力學性能，例如材料的強度和韌性都遠遠高于傳統(tǒng)材料。人們不僅要問：為什么材料的尺度顯著變小其力學行為就會顯著改進？為了回答這個問題，就要研究納米結構材料力學行為尺度效應的微觀機理，從根本上揭示出其高強高韌等宏觀力學行為的物理本質，這無論在科學上還是應用上都具有重要的意義?；谶@種思考，武曉雷、魏悅廣、洪友士和他們課題組針對納米晶、納米孿晶以及結構納米線等材料，從精細的靜、動態(tài)加載實驗觀測和分子動力學（MD）模擬研究出發(fā)，揭示出納米結構材料的微結構形成、演化和交互作用等系列新規(guī)律以及它們對材料宏觀強韌性能的影響機制。他們所取得的一系列具有原創(chuàng)性和引領性的成果，得到了國內外同行的廣泛承認和高度評價。
武曉雷等人的工作主要是針對金屬材料進行的。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，呈現出規(guī)則的幾何形狀。為了描述晶體的結構，科學家把構成晶體的原子當成一個質點，再用假想的線段將這些代表原子的各個質點連接起來，就形成一個格架式空間結構。科學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完全能夠表達晶格結構的最小單元，這個最小單元就叫作“晶胞”。許多取向相同的晶胞組成了所謂的“晶?！薄Ｓ扇∠虿煌木Я＝M成的物體，叫做“多晶體”，而“單晶體”內所有的晶胞則是取向完全一致的。絕大多數金屬材料是所謂的多晶體。在整塊金屬材料內部，每個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行表面納米化處理并對納米化以后的鋁和鈷進行精細拉伸實驗，首次觀測出孿晶和偏位錯沿晶界的形成過程及其與晶界的交互作用機制，闡明了這類材料的總體增強和增韌機理。他們又通過準靜態(tài)拉伸和冷軋實驗的靜、動態(tài)比對觀測證實了納米晶鎳存在起源于晶界的孿晶和偏位錯，得出孿晶及偏位錯機制起源于晶界的結論。他們還對納米晶鎳也開展了拉伸、沖擊和冷軋等靜、動態(tài)力學性能的比對實驗，發(fā)現了晶粒發(fā)生孿晶變形的反尺寸效應，以及偏位錯與孿晶界交互作用而的形成的洛莫-柯垂爾鎖。這些成果對于系統(tǒng)地掌握納米結構材料的尺度效應規(guī)律、建立跨尺度力學理論提供了實驗基礎。此外，他們針對納米晶、納米孿晶以及結構納米線的力學行為等現象，開展了系統(tǒng)的分子動力學模擬研究，獲得了均勻拉伸下的五重孿晶的生成機制并建立了孿晶和偏位錯生成及演化引起材料總體強化的力學機制。顯然，這篇短文不可能詳細涉及這項成果的所有細節(jié)，這里僅僅通過兩個例子來展示其中的一二，感興趣的讀者可閱讀獲獎者的相關的研究論文，如：Wu XL et al., Acta Mater., 2002:50, 2075；Wu XL et al., Scr Mater., 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）實施拉伸變形實驗時由透射電鏡獲得的高分辨圖像，可以看到其中形成了點陣位錯（亦稱“全位錯”，見中上方六對白色細實線所指示的部位）、不全位錯（亦稱“偏位錯”，見左下方三條紅色細實線所指示的部位）、洛莫－柯垂爾不可動位錯（亦稱“洛莫－柯垂爾鎖”，見中下方五個小紅點所形成的部位）以及變形孿晶（見右下方藍色細實線所指示的部位，其中matrix為“基體”，twin為“攣晶”，TB為“攣晶界面”）。力學和材料科學的知識告訴我們，“位錯”是晶體材料內部的一種“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（它構成了晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線）。依據原子滑移偏離的距離是正常相鄰原子間距的整數倍或非整數倍，科學家把位錯區(qū)分為“全位錯”和“偏位錯”。位錯滑移導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力作用時沿一定的晶面（人們稱之“孿晶界面”）和晶向（人們稱之為“孿生方向”）在一個區(qū)域上產生連續(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系，它們合在一起構成一個“孿晶”。常規(guī)的多晶體 (晶粒尺度在50-100 微米范圍)在室溫、準靜態(tài)條件下的塑性變形行為是位錯滑移；它們在低溫或高應變速率或復雜應力狀態(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驗觀察證實了這點，而且發(fā)現由于偏位錯與孿晶界的交互作用，可以形成洛莫-柯垂爾鎖。這種位錯鎖結構具有強烈的釘扎效應，可以使高密度位錯存儲在晶粒內部，從而導致了顯著的應變硬化效應，使材料的強度和冷軋延性都有所提高。這個研究為深入揭示納米晶材料力學性能的反Hall-Petch行為和加工硬化的微觀機理提供了有力證據。
獲得了2013年度國家自然科學二等獎。本刊在此對這項獲獎成果做一個簡要的介紹。
納米結構材料力學行為尺度效應的微觀機理研究
這項獲獎成果屬于固體力學的新型材料力學行為研究領域，它是針對納米結構材料而開展研究的。要了解納米結構材料，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,相當于四倍的原子大小、萬分之一的頭發(fā)粗細。納米材料便是指至少有一個尺度不超過100納米的物體，相當于幾十個原子聚集在一起。納米結構的基本單元有：原子團簇、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，人們已經采用金屬、非金屬、半導體、陶瓷、聚合物、復合材料等各種物質生成了納米結構材料。納米結構材料作為一種新型材料，具有精細設計的微觀結構，而且在受力變形時還會派生出新的微觀結構并通過其演化交互作用表現出優(yōu)異的宏觀力學性能，例如材料的強度和韌性都遠遠高于傳統(tǒng)材料。人們不僅要問：為什么材料的尺度顯著變小其力學行為就會顯著改進？為了回答這個問題，就要研究納米結構材料力學行為尺度效應的微觀機理，從根本上揭示出其高強高韌等宏觀力學行為的物理本質，這無論在科學上還是應用上都具有重要的意義?；谶@種思考，武曉雷、魏悅廣、洪友士和他們課題組針對納米晶、納米孿晶以及結構納米線等材料，從精細的靜、動態(tài)加載實驗觀測和分子動力學（MD）模擬研究出發(fā)，揭示出納米結構材料的微結構形成、演化和交互作用等系列新規(guī)律以及它們對材料宏觀強韌性能的影響機制。他們所取得的一系列具有原創(chuàng)性和引領性的成果，得到了國內外同行的廣泛承認和高度評價。
武曉雷等人的工作主要是針對金屬材料進行的。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，呈現出規(guī)則的幾何形狀。為了描述晶體的結構，科學家把構成晶體的原子當成一個質點，再用假想的線段將這些代表原子的各個質點連接起來，就形成一個格架式空間結構。科學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完全能夠表達晶格結構的最小單元，這個最小單元就叫作“晶胞”。許多取向相同的晶胞組成了所謂的“晶?！薄Ｓ扇∠虿煌木Я＝M成的物體，叫做“多晶體”，而“單晶體”內所有的晶胞則是取向完全一致的。絕大多數金屬材料是所謂的多晶體。在整塊金屬材料內部，每個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行表面納米化處理并對納米化以后的鋁和鈷進行精細拉伸實驗，首次觀測出孿晶和偏位錯沿晶界的形成過程及其與晶界的交互作用機制，闡明了這類材料的總體增強和增韌機理。他們又通過準靜態(tài)拉伸和冷軋實驗的靜、動態(tài)比對觀測證實了納米晶鎳存在起源于晶界的孿晶和偏位錯，得出孿晶及偏位錯機制起源于晶界的結論。他們還對納米晶鎳也開展了拉伸、沖擊和冷軋等靜、動態(tài)力學性能的比對實驗，發(fā)現了晶粒發(fā)生孿晶變形的反尺寸效應，以及偏位錯與孿晶界交互作用而的形成的洛莫-柯垂爾鎖。這些成果對于系統(tǒng)地掌握納米結構材料的尺度效應規(guī)律、建立跨尺度力學理論提供了實驗基礎。此外，他們針對納米晶、納米孿晶以及結構納米線的力學行為等現象，開展了系統(tǒng)的分子動力學模擬研究，獲得了均勻拉伸下的五重孿晶的生成機制并建立了孿晶和偏位錯生成及演化引起材料總體強化的力學機制。顯然，這篇短文不可能詳細涉及這項成果的所有細節(jié)，這里僅僅通過兩個例子來展示其中的一二，感興趣的讀者可閱讀獲獎者的相關的研究論文，如：Wu XL et al., Acta Mater., 2002:50, 2075；Wu XL et al., Scr Mater., 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）實施拉伸變形實驗時由透射電鏡獲得的高分辨圖像，可以看到其中形成了點陣位錯（亦稱“全位錯”，見中上方六對白色細實線所指示的部位）、不全位錯（亦稱“偏位錯”，見左下方三條紅色細實線所指示的部位）、洛莫－柯垂爾不可動位錯（亦稱“洛莫－柯垂爾鎖”，見中下方五個小紅點所形成的部位）以及變形孿晶（見右下方藍色細實線所指示的部位，其中matrix為“基體”，twin為“攣晶”，TB為“攣晶界面”）。力學和材料科學的知識告訴我們，“位錯”是晶體材料內部的一種“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（它構成了晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線）。依據原子滑移偏離的距離是正常相鄰原子間距的整數倍或非整數倍，科學家把位錯區(qū)分為“全位錯”和“偏位錯”。位錯滑移導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力作用時沿一定的晶面（人們稱之“孿晶界面”）和晶向（人們稱之為“孿生方向”）在一個區(qū)域上產生連續(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系，它們合在一起構成一個“孿晶”。常規(guī)的多晶體 (晶粒尺度在50-100 微米范圍)在室溫、準靜態(tài)條件下的塑性變形行為是位錯滑移；它們在低溫或高應變速率或復雜應力狀態(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驗觀察證實了這點，而且發(fā)現由于偏位錯與孿晶界的交互作用，可以形成洛莫-柯垂爾鎖。這種位錯鎖結構具有強烈的釘扎效應，可以使高密度位錯存儲在晶粒內部，從而導致了顯著的應變硬化效應，使材料的強度和冷軋延性都有所提高。這個研究為深入揭示納米晶材料力學性能的反Hall-Petch行為和加工硬化的微觀機理提供了有力證據。
圖1 納米晶鎳拉伸變形的高分辨透射電鏡照片
圖2則是魏悅廣研究小組采用分子動力學模擬方法研究納米結構材料的力學行的一個實例：在納米銅（NC Cu）中獲得了變形五重孿晶。他們的模擬計算表明，從晶界不斷發(fā)射的偏位錯（圖中b2，b3，b4表示偏位錯）導致了順序的孿晶，并最終形成五重孿晶。他們還解釋了五重孿晶結構的納米線比單晶結構的納米線所以具有高的強度和低的延性，是因為孿晶界的出現阻礙了偏位錯運動、引起內部應力集中。這樣就通過MD模擬的納米銅內部結構演化過程，揭示了孿晶增強的微觀物理機制。
圖2 五重孿晶形成的分子動力學模擬結果
應當說，《納米結構材料力學行為尺度效應的微觀機理研究》項目是力學所從微觀機制上探索新型材料力學性能的一個成果。錢學森先生在1962年出版的《物理力學講義》中寫道：“…連基本概念也還不十分清楚的問題, 例如固體強度和塑性變形就是如此,直到現在也還沒有較全面的微觀理論,沒有工程技術上可用的肯定結果,… ”，這是力學大師對我們力學工作者提出的期望。武曉雷等人的工作就是在這個方向上做出的一個努力。
（王柏懿撰文）