變形機制圖對於設計和製備出高性能長壽命的金屬構件至關重要。早在1972年，Ashby就已經構件出了塊體金屬材料的變形機制圖（DMMs）來描述金屬在不同溫度和應力下變形機制隨應變速率的演化。隨著功能器械的日益微型化，芯片、微型傳感器、微型電子機械等許多高精尖器件通常都包含微納尺度的金屬基功能構件，而在實際服役環境下，這些構件通常受到溫度和應力的雙重影響。但不同於宏觀塊體材料，微納尺度金屬材料的變形機制除了受到溫度和應力的影響之外，還受到構件外觀尺寸的顯著影響。這意味著為了精準設計出微納尺度的高性能長壽命金屬構件，就必須精確測繪出金屬材料在微納尺度特有的變形機制圖。為此，首先要克服的困難就是要開發一種適合於測繪微小試樣變形機制圖的技術。基於在該領域長期的積累，西安交大單智偉研究團隊開發出了基於透射電子顯微鏡的原位高溫定量納米力學測試技術，並選取單晶金屬鋁為研究對象，在25-400℃的溫度範圍和150-1000nm的尺寸範圍內對其進行了測試，首次構建出了微納尺度金屬鋁的變形機制圖。
微納尺度單晶鋁的變形機制圖
金屬的變形機制隨溫度和樣品的外觀尺寸而發生變化。當溫度升高到某一臨界溫度Tc時，主導金屬變形的機制也將發生從位移型（位錯和孿晶）向擴散型的轉變。在Tc溫度以下，塑性變形以位錯為主要載體，表現為微柱宏觀塑性變形的不連續性，沿著滑移方向發生應變突跳；而在Tc以上溫度，材料的變形由擴散機制主導，表現為塑性變形較為連續且集中於圓柱頂部，形成蘑菇狀形貌，這和宏觀塊體材料行為類似。但微納尺度樣品所獨有的特點是，變形機制也受到樣品尺寸的顯著影響。在應力-樣品尺寸圖中，在三個區域的交匯點處存在一個“最強尺寸”，樣品在大於此尺寸時表現為“越小越強”，而在小於此尺寸時表現為“越小越弱”。同時，在擴散塑性區，樣品的變形集中在樣品頂部，在變形和未變形部分之間存在一個明顯的界面。上述變形機制圖可以幫助科研人員和器件設計人員確定材料在特定條件下的主導變形機制、轉變的臨界條件以及在特定條件組合下的“最強樣品尺寸”等。
該成果以《亞微米尺度鋁的變形機制圖》（Deformation mechanism maps for sub-micron sized aluminum）為題刊登在《材料學報》（Acta Materialia）雜誌上。西安交通大學解德剛副教授為論文的第一作者，美國麻省理工學院李巨教授、西安交通大學單智偉教授為本論文的共同通訊作者。參與此工作的還有日本大阪大學尾方成信（Shigenbu Ogata）教授，約翰霍普金斯大學馬恩教授，西安交通大學碩士畢業生張榮榮（現法國里昂國立應用科學學院在讀博士研究生），博士研究生聶志宇以及碩士研究生李晶。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、陝西省博士後科學基金和陝西省自然科學基金等項目的共同資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420301178
微納尺度材料行為研究中心（Center for Advancing Materials Performance from the Nanoscale, CAMP-Nano）致力於系統定量地構築起微納尺度材料的知識理論體系，為其規模化的工業化應用構建起堅實的理論根基和方法論指導。2010年至今，微納中心發表署名文章190餘篇，包括學術知名期刊《自然》2篇，《科學》5篇，《自然材料》3篇，《自然通訊》11篇，《先進材料》3篇，《納米快報》14篇，《物理評論快報》3篇等，授權專利42項。本研究依託中心團隊最新開發的微納尺度原位力熱耦合測試技術，該技術有望在微納尺度高溫力學領域取得一系列突破性的發現，為進一步認識微納尺度材料力學性能奠定基礎。
來源 西安交大新聞網
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