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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 | 文章來源:沈陽材料科學國家研究中心        【 】【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臺。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臺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為,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,其壓縮應力平臺較為明顯;隨著相對密度的提高,應力平臺長度急劇縮短;當相對密度上升至~0.30以上,應力平臺逐漸消失,多孔材料的壓縮變形也逐漸轉變為類似于全致密材料的均勻變形行為。 

  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為與該材料的結構—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臺。一般認為,這是由于當前納米多孔金屬相對密度較高所致,壓縮應力平臺有可能在相對密度更低的納米多孔金屬中出現。 

  與上述傳統認識相反,金屬所沈陽材料科學國家研究中心的劉凌志副研究員(第一作者)、張燁元博士研究生、解輝特別研究助理和金海軍研究員(通訊作者)研究發現,通過進一步提高而非降低相對密度,可在納米多孔金中復現由非均勻變形誘發的壓縮應力平臺。這一研究成果以“Transition from homogeneous to localized deformation in nanoporous gold”為題最近發表于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臺,其變形也從均勻變形逐漸轉變為非均勻變形。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,由于懸掛孔棱的搭接以及孔棱彎曲產生幾何必需位錯強化,從而誘發應變硬化并抑制應變局域化。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。 

  這也是在該臨界相對密度(~1/3)附近觀察到納米多孔金屬的異常力學行為(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)和自發致密化行為(H. Xie et al, Acta Mater 209(2021)116806)后,該團隊發現的納米多孔金屬異于傳統多孔金屬的又一個特征行為。該系列工作對于發展結構—功能一體化高性能納米多孔金屬材料、理解自組裝納米結構的穩定性及表面控制力學響應(H.J. Jin and J. Weissmueller, Science (2011); Y.Y. Zhang et al, Phys Rev Lett (2021)) 等均具有重要意義。 

  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

圖1. 納米多孔金的壓縮變形行為。(a) 不同相對密度納米多孔金的壓縮應力應變曲線。小圖為不同相對密度常規多孔鋁的壓縮應力應變曲線。(b) 不同相對密度納米多孔金歸一化后的加工硬化率隨壓縮應變的變化情況。(c) 納米多孔金歸一化加工硬化率隨相對密度的變化。(d) 相對密度為0.36的NPG-35樣品的加工硬化率隨孔棱尺寸的變化情況。

圖2. 納米多孔金的均勻與非均勻變形。相對密度為0.27的NPG-25樣品 (a) 和相對密度為0.36的NPG-35樣品 (b) 壓縮不同應變后的表面形貌光鏡照片。(c-d) 為NPG-25樣品壓縮20%前后局部變形情況??梢娍桌獍l生彎曲變形和懸掛孔棱發生搭接。(e) 壓縮10%的NPG-35中,變形帶內的孔棱發生位錯雪崩式滑移變形的痕跡。

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