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晶界-表面截交線對強度的作用研究取得重要進展
 
2021-06-16 | 文章來源:沈陽材料科學國家研究中心        【 】【打印】【關閉

  作為兩種面缺陷間的幾何交線,表面-晶界截交線(surface triple junction或STJ)是多晶體材料表面上的常見線缺陷。在塊體材料中,位于STJ的原子體積分量極低,其對材料整體強度的貢獻幾乎可以忽略。隨著材料尺寸降低至亞微米甚至納米尺度(如薄膜、納米線等),STJ原子體積分量急劇上升。但這一特殊線缺陷是否以及如何影響材料力學性能尚無定論。如何將STJ對材料強度的貢獻從表面及晶界效應中分離出來也是一個巨大挑戰。

  最近,金屬所沈陽材料科學國家研究中心金海軍研究員團隊在這一問題上取得進展。該團隊在電化學環境下進行原位壓縮實驗,比較納米晶和粗晶納米多孔金屬的力學行為,成功分離出納米金屬強度的STJ效應,并確定其開始發揮作用的臨界尺寸。相關成果以“Surface triple junction governs the strength of a nanoscale solid”為題發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

  該研究采用兩種特征樣品:一種是含有大量表面、晶界和STJ的納米晶納米多孔金樣品;另一種是含有大量表面,但晶界與STJ極少的粗晶納米多孔金樣品。由于晶界對電化學修飾不敏感,通過電化學控制表面狀態并觀察其對強度的影響,即可在納米晶納米多孔金中測得“STJ效應+表面效應”,即STJ與表面對強度的共同作用;作為參照實驗,在粗晶納米多孔金中則可測得“表面效應”。比較“STJ效應+表面效應”與“表面效應”,發現兩者在百納米以上基本重合,而在百納米以下顯著分離(見圖2)。這說明在約100納米以下,STJ開始對材料強度發揮作用。透射電鏡等實驗表明,STJ有可能作為位錯的優先形核位置影響納米材料變形行為與力學性能。本研究表明STJ以及更廣義上的三叉晶界線并非簡單的面缺陷間幾何交線,而是影響材料性能的重要結構參量。該研究為理解納米金屬力學行為,實現力學性能的控制與優化提供重要信息。

  該工作由張燁元博士研究生(第一作者)、解輝特別研究助理、劉凌志副研究員和金海軍研究員(通訊作者)共同完成。該研究得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的資助。

  圖1:納米晶納米多孔金的a)TEM圖像和選區電子衍射( SAED )圖案,b)PED取向圖及c)結構示意圖。粗晶納米多孔金d)TEM圖像和SAED圖案,e)EBSD取向圖及f)結構示意圖。Surf:固體表面。GB:晶界。STJ:表面-晶界截交線。

  圖2:a)電化學控制原位壓縮實驗裝置示意圖,b)典型的納米晶納米多孔金隨表面狀態改變的原位壓縮曲線,c)納米晶和粗晶納米多孔金氧吸附產生的流變應力變化幅度隨孔棱尺寸的變化規律。

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