纳米材料力学性能.ppt

纳米材料力学性能普通多晶体材料的塑性变形是由位错在晶体的滑移系(滑移面上的滑移方向)实现的.
因此,多晶体材料的塑性变形力学行为是由位错运动行为决定或控制的.
位错的尺度和位错的运动决定了材料的力学
因此通过限制位错运动提高强度或者通过易于位错运动改善材料的塑性位错运动的摩擦力(P-N力，Peierls，Nabarro)

P-N（派纳）力表明,位错的运动最易于发生在密排面和密排方向上,并由此构成滑移系,因为在此滑移系统上,.位错滑移的阻力最小.
(Mott的解释)一般的位错源阻力写成:

其中,L是位错源长度.由此可以看出,位错源开动的力与位错线长度成反比.对于一个任意位错,更精确的表达是(J.P.Hirth,1982):

对于一个刃型位错,此式可以写成(lian-Baudelet-1993)

其中是应力转换因子(从剪切应力转换成拉伸应力,通常取2-3.Fcc-3.06,Bcc2.78当多晶体塑性变形发生在多个滑移系,形成多滑移,产生位错交割,形成林位错(位错网格),其滑移所需的了可以有经典的位错密度公式表达:

其中~0.3-0.5对于fcc.其中的0可以由P-N力表示.
强度与位错密度直接相关，加工硬化的机理单晶和多晶铜的实验结果当位错源开动,位错不断发出,但是,由于相邻晶体的取向不同,位错不能穿过晶界达到相邻晶粒,只能通过在晶界处塞积,引起应力集中,丛而激发相邻晶粒的位错源开动,形成多个晶体塑性变形.因此,多晶体晶界的存在,成为位错运动的阻力.最著名的Hall-Petch式表达了位错强化作用:流动应力和晶粒尺寸1/2成反比.
若不考虑固溶强化和第二相质点强化,上述四个表达式可以基本描述多晶体金属的位错塑性力学行为.由此还可知道,加工硬化(通过增加位错密度,和细化晶粒强化是强化材料的主要手段.1,位错密度强化(加工硬化,)

2,细化晶粒强化

3,固溶强化

4,第二相质点强化
当然还有其他如:孪晶强化,非晶态强化,等非位错模式强化纳米材料力学行为的几个主要特点:

高的(屈服和抗拉)强度.
较低的塑性,韧性
提高的(enhanced)应变速率敏感性当材料的晶粒尺寸减小到几十纳米尺度时，H-P关系的斜率会变小，但仍然保持正值[77,78]。Takeuchi[79]总结了众多科研人员，包括Nieman[77]，Sander[20]，Choksi[80]和Fougere[81]的纳米Cu和纳米Pb的硬度与晶粒尺寸的关系，如图1.10所示。很明显的，对于纳米Cu，H-P关系的斜率随着晶粒尺寸的减小，逐渐的由正值，变到零(没有明显的尺寸依赖性)，然后到负值。图1.10纳米Cu(a)和Pd(b)的Hall-Petch关系图[79]。Fig.1.10Hall-Petchplotsofthehardnessof:(a)nanocrystallineCuand(b)nanocrystallinePd[79].图1.12纳米铜尺寸依赖的流变应力变化的分子动力学模拟结果[93]。Fig.1.12Thegrain-sizedependenceoftheflowstressofnanocrystallineCuobtainedbyMD[93].连建设在1993年采用单根位错线弯曲模型，提出了修正的H-P关系式，解释了纳米Cu和Pd的硬度与晶粒尺寸的关系。该模型首先假定纳米晶粒中只有单根的位错存在，纳米材料的屈服应力直接与Frank-Read位错源的临界半圆的构型相关联。根据经典的位错理论[101]和一些合理的假设，得到屈服剪切应力和硬度H与晶粒尺寸d的关系式，分别表示为公式(1.2)和(1.3)：2.4力学性能实验
拉伸试验在拉伸试验机美国MTS-810系统上完成，应变速率范围选定从1.04×10-6到1.04s-1之间变化。拉伸试样夹持采用自制夹具，自制夹具与试验机的十字头夹具串联。延伸率通过试验机的十字头夹具位移计算求得。板状拉伸试样尺寸如图2.2所示，标长8mm，宽2mm，厚度在0.3-2mm之间。纳米结构Ni的显微结构与力学性能图3.5(a)电沉积纳米结构Ni在不同应变速率下的工程应力应变曲线；(b)1%塑性应变时的流变应力与应变速率的对数坐标图。拉伸变形后试样的表面形貌典型的纳米Ni断裂表面形貌，变形应变速率为1.04×10-3s-1。局部区域观察到150-300nm大小的凸起，如箭头所示。表面织构的变化为了进一步探究纳米Ni的变形机理，将纳米Ni试样不同变形区域的表面进行了X射线衍射分析(a)、(b)和(c)、(d)分别对应纳米Ni拉伸试样厚度平面方向的GADDS探测结果。纳米镍在应变速率1.04×10-3s-1变形后，(111)和(200)晶面X射线衍射峰的强度比I(111)/(200)随着厚度应变的变化。