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納米多孔金屬中觀察到反常的均勻-非均勻變形轉變
 
2021-08-26 | 文章来源:沈阳材料科学国家研究中心        【 】【打印】【關閉

  在多孔材料壓縮變形的初始階段,其應力—應變曲線往往呈現一個較長應力平台。流變應力在壓縮變形中幾乎保持恒定,直至致密化階段流變應力才開始急劇上升。多孔材料的壓縮應力平台與其非均勻變形方式有關:在外加載荷下多孔結構發生局部失穩坍塌,形成變形帶;該變形帶在恒定應力下逐漸擴展至整個樣品。這一獨特變形方式是多孔材料的典型行爲,也賦予了該材料抗沖擊、吸能等優異性能。對于常規多孔材料,當相對密度或固相體積分量較低時,其壓縮應力平台較爲明顯;隨著相對密度的提高,應力平台長度急劇縮短;當相對密度上升至~0.30以上,應力平台逐漸消失,多孔材料的壓縮變形也逐漸轉變爲類似于全致密材料的均勻變形行爲。 

  近年來,納米多孔金屬因其高強度以及獨特的表面控制功能特性而備受關注。納米多孔金屬的變形行爲與該材料的結構—功能一體化應用探索緊密相關,也是當前該領域的研究熱點之一。此前的研究表明,納米多孔金屬在壓縮下呈現均勻變形,而且在其應力—應變曲線上未見應力平台。一般認爲,這是由于當前納米多孔金屬相對密度較高所致,壓縮應力平台有可能在相對密度更低的納米多孔金屬中出現。 

  与上述传统认识相反,金属所沈阳材料科学国家研究中心的刘凌志副研究员(第一作者)、张烨元博士研究生、解辉特别研究助理和金海军研究员(通讯作者)研究发现,通过进一步提高而非降低相对密度,可在纳米多孔金中复现由非均匀变形诱发的压缩应力平台。这一研究成果以“Transition from homogeneous to localized deformation in nanoporous gold”为题最近发表于Physical Review Letters期刊。 

  該團隊研究發現,隨著相對密度升高,納米多孔金壓縮加工硬化率急劇下降,在相對密度提高至~1/3以上時呈現完美的應力平台,其變形也從均勻變形逐漸轉變爲非均勻變形。這一變形方式的轉變與傳統多孔材料中觀察到的轉變方向完全相反,且機制不同。進一步結構表征和分析表明,納米多孔金屬變形方式轉變源自于其孔棱變形從彎曲主導向拉壓主導的轉變。在較低相對密度納米多孔金的壓縮變形中,由于懸挂孔棱的搭接以及孔棱彎曲産生幾何必需位錯強化,從而誘發應變硬化並抑制應變局域化。而在較高相對密度納米多孔金中,孔棱在拉壓主導變形下更易于發生位錯滑移雪崩誘發的應變失穩,從而誘發局部變形帶的形成以及恒定載荷下遞進式的宏觀變形方式。這一轉變只在孔棱直徑小于200納米,且晶粒尺寸遠大于孔棱直徑的條件下存在,有可能是自組裝納米多孔結構晶體材料的共同特征。 

  这也是在该临界相对密度(~1/3)附近观察到纳米多孔金属的异常力学行为(L.Z. Liu et al, Acta Mater 78(2016)77-87;L.Z. Liu et al, APL 110(2017)211902; H.J. Jin et al, MRS Bull 43(2018)35-42)和自发致密化行为(H. Xie et al, Acta Mater 209(2021)116806)后,该团队发现的纳米多孔金属异于传统多孔金属的又一个特征行为。该系列工作对于发展结构—功能一体化高性能纳米多孔金属材料、理解自组装纳米结构的稳定性及表面控制力学响应(H.J. Jin and J. Weissmueller, Science (2011); Y.Y. Zhang et al, Phys Rev Lett (2021)) 等均具有重要意义。 

  該研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目和青年基金項目資助。 

  原文鏈接

图1. 纳米多孔金的压缩变形行为。(a) 不同相对密度纳米多孔金的压缩应力应变曲线。小图为不同相对密度常规多孔铝的压缩应力应变曲线。(b) 不同相对密度纳米多孔金归一化后的加工硬化率随压缩应变的变化情况。(c) 纳米多孔金归一化加工硬化率随相对密度的变化。(d) 相对密度为0.36的NPG-35样品的加工硬化率随孔棱尺寸的变化情况。

图2. 纳米多孔金的均匀与非均匀变形。相对密度为0.27的NPG-25样品 (a) 和相对密度为0.36的NPG-35样品 (b) 压缩不同应变后的表面形貌光镜照片。(c-d) 为NPG-25样品压缩20%前后局部变形情况。可见孔棱发生弯曲变形和悬挂孔棱发生搭接。(e) 压缩10%的NPG-35中,变形带内的孔棱发生位错雪崩式滑移变形的痕迹。

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