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中科院盧磊教授團(tuán)隊(duì)《Acta Materialia》：發(fā)現(xiàn)異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)銅中納米孿晶束的各向異性增韌效應(yīng)！

2022-03-07 10:11:59 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文研究了這種具有優(yōu)先取向納米孿晶和細(xì)長(zhǎng)納米晶粒的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu) Cu 的各向異性斷裂行為。根據(jù)裂紋平面相對(duì)于納米孿晶束的方向（或細(xì)長(zhǎng)納米晶粒的排列），異質(zhì)納米結(jié)構(gòu) Cu 顯示出明顯的各向異性斷裂行為。當(dāng)裂紋平面和裂紋擴(kuò)展方向都垂直于納米孿晶束時(shí)，異質(zhì)納米結(jié)構(gòu) Cu表現(xiàn)出最高的斷裂韌性（ J IC ），這大約是裂紋平面和裂紋生長(zhǎng)方向都平行于納米孿晶束的情況的三倍。這種與取向相關(guān)的斷裂韌性歸因于納米孿晶束的各向異性增韌和由細(xì)長(zhǎng)納米晶粒引起的裂紋偏轉(zhuǎn)。

均質(zhì)納米孿晶（NT）金屬表現(xiàn)出高強(qiáng)度，中等延展性和加工硬化的顯著特性。對(duì)于具有優(yōu)先取向納米孿晶的金屬，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到各向異性塑性變形有三種不同的位錯(cuò)模式，即硬模式I（位錯(cuò)堆積和跨孿晶界（TBs）的傳輸），硬模式II（雙/基體層狀通道中的螺紋位錯(cuò)滑動(dòng)）和軟模式（平行于TBs的位錯(cuò)滑動(dòng)）分別主導(dǎo)了塑性變形，正常，平行和45°傾斜到TB。分別不同的位錯(cuò)模式的特點(diǎn)是由于有非常多樣化的流動(dòng)阻力和應(yīng)變硬化。

最近，我們證明了嵌入納米顆粒（NG）基質(zhì)中的具有優(yōu)先取向且納米孿晶（NTBs）的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出深刻的取向依賴性變形和機(jī)械行為，這是由NTBs的各向異性強(qiáng)化效應(yīng)以及NT區(qū)域與周圍NG基質(zhì)之間界面處的取向依賴性變形相容性引起的。納米孿晶只有在兩個(gè)微觀結(jié)構(gòu)部件的共同變形被激活時(shí)才能發(fā)揮實(shí)質(zhì)性的強(qiáng)化作用，例如在平行張力下；否則，由于明顯的菌株不相容性，nanotwins的強(qiáng)化不能完全有效。

通過(guò)一系列研究，研究了 NTB 在 HNS 金屬中的增韌效果，這表明 NTB 不僅在本質(zhì)上增強(qiáng)通過(guò)抑制應(yīng)變局部化和空洞形核來(lái)提高裂紋尖端的塑性，但也可以作為裂紋前沿后面的裂紋橋，并通過(guò)屏蔽裂紋尖端來(lái)外部抵抗斷裂。與傳統(tǒng)復(fù)合材料中元素的硬度和彈性/塑性變形的巨大差異（例如，獨(dú)特的硬第二相和軟基體）相比，由于兩者之間的不匹配，損傷總是從硬/軟界面開(kāi)始。堅(jiān)硬但可變形的NTBs不僅能適應(yīng)塑性應(yīng)變，約束NG基質(zhì)中的損傷成核，還能促進(jìn)界面處的有效應(yīng)變傳遞，從而抑制界面開(kāi)裂。

然而，目前缺乏關(guān)于這種HNS金屬中納米孿晶的取向依賴性增韌的研究，原因是仍然難以制備滿足不同取向下斷裂韌性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的樣品。為了優(yōu)化增韌，非常需要評(píng)估具有非關(guān)稅壁壘不同開(kāi)裂取向的HNS金屬的斷裂韌性，并分析與非關(guān)稅壁壘取向相關(guān)的潛在各向異性增韌機(jī)理。

在本研究中，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所盧磊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京理工大學(xué)對(duì)由NTBs和NG組成的HNS Cu的各向異性斷裂行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。基于定制設(shè)計(jì)的裂紋開(kāi)口位移（COD）測(cè)量系統(tǒng)對(duì)具有不同裂紋平面的試樣進(jìn)行斷裂測(cè)試，以定量評(píng)估其抗斷裂性。NTB 通過(guò)充當(dāng)不間斷的橋梁來(lái)抑制裂紋打開(kāi)，從而在 NN 和 NP 方向上提供有效的增韌；而在 P-P 和 I-I 方向，由于微裂紋在 NTB 和 NG 基體的界面處過(guò)早產(chǎn)生，橋接增韌不起作用。此外，N-N 和 I-I 方向的明顯裂紋偏轉(zhuǎn)有助于提高抗斷裂性。在裂紋橋接和裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制都被激活的方向（N-N）中發(fā)現(xiàn)的高強(qiáng)度和顯著斷裂韌性相結(jié)合，這意味著各向異性可能是增韌高強(qiáng)度的潛在策略納米結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵方向。本研究以題“Anisotropic toughening of nanotwin bundles in the heterogeneous nanostructured Cu”發(fā)表在金屬刊物Acta Materialia上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422001343

圖 1.CT標(biāo)本及其在DPD盤(pán)中的方向示意圖。微觀結(jié)構(gòu)組件，即納米孿生（NT）和細(xì)長(zhǎng)納米顆粒（NG）也示意性地示意性地說(shuō)明了每個(gè)樣品的橫截面。此外，右側(cè)的放大圖像更清楚地顯示了微觀結(jié)構(gòu)（繪制不按比例）。

圖 2.（a）將SEM-BSE圖像投影在立方體上，以在三個(gè)觀察方向上可視化DPD Cu的微觀結(jié)構(gòu)。（二、丙）典型的橫截面微觀結(jié)構(gòu)，以嵌入納米顆粒（NG）基質(zhì)中的束的形式顯示納米孿生（NT）。（d）對(duì)橫截面微觀結(jié)構(gòu)的詳細(xì)TKD觀測(cè)，該結(jié)構(gòu)繪制為相對(duì)于DPD方向的反極圖（IPF）圖。（e）根據(jù)從尼泊爾國(guó)家集團(tuán)區(qū)域獲取的傳統(tǒng)知識(shí)數(shù)據(jù)的KAM地圖。（f）納米顆粒縱向和橫向GB附近局部偏向角的統(tǒng)計(jì)分布。

圖 3.（a）不同方向的力與載荷線位移曲線。應(yīng)用卸載順應(yīng)性技術(shù)來(lái)確定瞬時(shí)裂紋長(zhǎng)度。（b） J積分的變化作為根據(jù)（a）中的數(shù)據(jù)計(jì)算的裂紋延伸的函數(shù)。

圖 4.從CLSM 3-D拓?fù)渲刑崛〉南嗤鸭y路徑剖面圖，包括N-P（a），N-N（b），P-P（c）和I-I（d）試樣的兩個(gè)裂縫半部分，這些裂紋路徑排列到與鈍化預(yù)裂紋尖端合并之前的第一個(gè)空隙（由黑色三角形標(biāo)記）的點(diǎn)。黑色箭頭表示裂紋擴(kuò)展方向，如下圖所示。

圖 5.對(duì)N-P（a1），P-P（b1），I-I（c1）和N-N（d1）的宏觀分形特征的掃描電鏡觀測(cè)。（a1-d1）中的白色虛線表示從疲勞前區(qū)域到過(guò)載斷裂區(qū)域的過(guò)渡。（a2， b2， c2， d2）分別對(duì)對(duì)應(yīng)于（a1，b1，c1，d1）的區(qū)域進(jìn)行三維CLSM觀測(cè)，描繪了裂縫表面的高度變化。顏色表示以μm為單位的相對(duì)高度。分別沿著斷裂試樣的中線提取重建的裂紋剖面（紅線和藍(lán)線）。

圖 6.對(duì)N-P（a），N-N（b），P-P（c）和I-I（d）的微觀分形特征的掃描電鏡觀察。粗糙的酒窩（由白色虛線勾勒）清楚地出現(xiàn)在中等酒窩的均勻背景上。此外，在中等酒窩之間還發(fā)現(xiàn)了少量細(xì)小的酒窩（用白色箭頭表示）。

圖 7.對(duì)N-P（a1，a2），N-N（b1，b2），P-P（g1，g2）和I-I（h1，h2）標(biāo)本的兩個(gè)破碎半部的斷裂表面上的粗糙凹痕對(duì)進(jìn)行SEM觀察。（c1， c2， d1， d2， i1， i2， j1， j2）分別在對(duì)應(yīng)于（a1，a2，b1，b2，g1，g2，h1，h2）的相同區(qū)域上進(jìn)行CLSM成像，代表這些酒窩的3-D形態(tài)。顏色代表以μm為單位的相對(duì)高度。（e1， e2， f1， f2， k1， k2， l1， l2）從粗酒窩的中段提取水平和垂直輪廓，并精心匹配在一起。

圖 8.示意圖說(shuō)明了不同開(kāi)裂方向下的斷裂過(guò)程：（a）N-P，（b）N-N，（c）P-P和（d）I-I。突出顯示了NTB的各向異性增韌行為和NG基質(zhì)中的裂紋擴(kuò)展路徑（納米顆粒的尺寸不按比例繪制）。（c）中的插入SEM圖像顯示了P-P試樣裂紋尖端上的微裂紋（由白色箭頭表示），該裂紋在NTB（由白色虛線勾勒）和NG基質(zhì)之間的縱向界面處開(kāi)始。

圖 9.屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系（σys）和初始斷裂韌性（Ki）對(duì)于不同裂解方向（即N-N、I-I、N-P和P-P）下的HNS Cu（DPD Cu ε=1.5），與不同裂解方向下的ECAP Cu進(jìn)行比較（⊥GEP和∥GEP分別表示與晶粒伸長(zhǎng)平面（GEP）垂直和平行的裂紋平面、高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）Cu [60]和DPD銅（ε=2.0）在N-P方向上具有不同的NTB長(zhǎng)度。

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