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中科院盧磊教授團隊《Acta Materialia》：發現異質納米結構銅中納米孿晶束的各向異性增韌效應！

2022-03-07 10:11:59 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文研究了這種具有優先取向納米孿晶和細長納米晶粒的異質納米結構 Cu 的各向異性斷裂行為。根據裂紋平面相對于納米孿晶束的方向（或細長納米晶粒的排列），異質納米結構 Cu 顯示出明顯的各向異性斷裂行為。當裂紋平面和裂紋擴展方向都垂直于納米孿晶束時，異質納米結構 Cu表現出最高的斷裂韌性（ J IC ），這大約是裂紋平面和裂紋生長方向都平行于納米孿晶束的情況的三倍。這種與取向相關的斷裂韌性歸因于納米孿晶束的各向異性增韌和由細長納米晶粒引起的裂紋偏轉。

均質納米孿晶（NT）金屬表現出高強度，中等延展性和加工硬化的顯著特性。對于具有優先取向納米孿晶的金屬，已經認識到各向異性塑性變形有三種不同的位錯模式，即硬模式I（位錯堆積和跨孿晶界（TBs）的傳輸），硬模式II（雙/基體層狀通道中的螺紋位錯滑動）和軟模式（平行于TBs的位錯滑動）分別主導了塑性變形，正常，平行和45°傾斜到TB。分別不同的位錯模式的特點是由于有非常多樣化的流動阻力和應變硬化。

最近，我們證明了嵌入納米顆粒（NG）基質中的具有優先取向且納米孿晶（NTBs）的異質納米結構也表現出深刻的取向依賴性變形和機械行為，這是由NTBs的各向異性強化效應以及NT區域與周圍NG基質之間界面處的取向依賴性變形相容性引起的。納米孿晶只有在兩個微觀結構部件的共同變形被激活時才能發揮實質性的強化作用，例如在平行張力下；否則，由于明顯的菌株不相容性，nanotwins的強化不能完全有效。

通過一系列研究，研究了 NTB 在 HNS 金屬中的增韌效果，這表明 NTB 不僅在本質上增強通過抑制應變局部化和空洞形核來提高裂紋尖端的塑性，但也可以作為裂紋前沿后面的裂紋橋，并通過屏蔽裂紋尖端來外部抵抗斷裂。與傳統復合材料中元素的硬度和彈性/塑性變形的巨大差異（例如，獨特的硬第二相和軟基體）相比，由于兩者之間的不匹配，損傷總是從硬/軟界面開始。堅硬但可變形的NTBs不僅能適應塑性應變，約束NG基質中的損傷成核，還能促進界面處的有效應變傳遞，從而抑制界面開裂。

然而，目前缺乏關于這種HNS金屬中納米孿晶的取向依賴性增韌的研究，原因是仍然難以制備滿足不同取向下斷裂韌性測試的標準尺寸的樣品。為了優化增韌，非常需要評估具有非關稅壁壘不同開裂取向的HNS金屬的斷裂韌性，并分析與非關稅壁壘取向相關的潛在各向異性增韌機理。

在本研究中，中國科學院金屬研究所盧磊團隊聯合中國科學技術大學、南京理工大學對由NTBs和NG組成的HNS Cu的各向異性斷裂行為進行了系統研究。基于定制設計的裂紋開口位移（COD）測量系統對具有不同裂紋平面的試樣進行斷裂測試，以定量評估其抗斷裂性。NTB 通過充當不間斷的橋梁來抑制裂紋打開，從而在 NN 和 NP 方向上提供有效的增韌；而在 P-P 和 I-I 方向，由于微裂紋在 NTB 和 NG 基體的界面處過早產生，橋接增韌不起作用。此外，N-N 和 I-I 方向的明顯裂紋偏轉有助于提高抗斷裂性。在裂紋橋接和裂紋偏轉增韌機制都被激活的方向（N-N）中發現的高強度和顯著斷裂韌性相結合，這意味著各向異性可能是增韌高強度的潛在策略納米結構材料的關鍵方向。本研究以題“Anisotropic toughening of nanotwin bundles in the heterogeneous nanostructured Cu”發表在金屬刊物Acta Materialia上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422001343

圖 1.CT標本及其在DPD盤中的方向示意圖。微觀結構組件，即納米孿生（NT）和細長納米顆粒（NG）也示意性地示意性地說明了每個樣品的橫截面。此外，右側的放大圖像更清楚地顯示了微觀結構（繪制不按比例）。

圖 2.（a）將SEM-BSE圖像投影在立方體上，以在三個觀察方向上可視化DPD Cu的微觀結構。（二、丙）典型的橫截面微觀結構，以嵌入納米顆粒（NG）基質中的束的形式顯示納米孿生（NT）。（d）對橫截面微觀結構的詳細TKD觀測，該結構繪制為相對于DPD方向的反極圖（IPF）圖。（e）根據從尼泊爾國家集團區域獲取的傳統知識數據的KAM地圖。（f）納米顆?？v向和橫向GB附近局部偏向角的統計分布。

圖 3.（a）不同方向的力與載荷線位移曲線。應用卸載順應性技術來確定瞬時裂紋長度。（b） J積分的變化作為根據（a）中的數據計算的裂紋延伸的函數。

圖 4.從CLSM 3-D拓撲中提取的相同裂紋路徑剖面圖，包括N-P（a），N-N（b），P-P（c）和I-I（d）試樣的兩個裂縫半部分，這些裂紋路徑排列到與鈍化預裂紋尖端合并之前的第一個空隙（由黑色三角形標記）的點。黑色箭頭表示裂紋擴展方向，如下圖所示。

圖 5.對N-P（a1），P-P（b1），I-I（c1）和N-N（d1）的宏觀分形特征的掃描電鏡觀測。（a1-d1）中的白色虛線表示從疲勞前區域到過載斷裂區域的過渡。（a2， b2， c2， d2）分別對對應于（a1，b1，c1，d1）的區域進行三維CLSM觀測，描繪了裂縫表面的高度變化。顏色表示以μm為單位的相對高度。分別沿著斷裂試樣的中線提取重建的裂紋剖面（紅線和藍線）。

圖 6.對N-P（a），N-N（b），P-P（c）和I-I（d）的微觀分形特征的掃描電鏡觀察。粗糙的酒窩（由白色虛線勾勒）清楚地出現在中等酒窩的均勻背景上。此外，在中等酒窩之間還發現了少量細小的酒窩（用白色箭頭表示）。

圖 7.對N-P（a1，a2），N-N（b1，b2），P-P（g1，g2）和I-I（h1，h2）標本的兩個破碎半部的斷裂表面上的粗糙凹痕對進行SEM觀察。（c1， c2， d1， d2， i1， i2， j1， j2）分別在對應于（a1，a2，b1，b2，g1，g2，h1，h2）的相同區域上進行CLSM成像，代表這些酒窩的3-D形態。顏色代表以μm為單位的相對高度。（e1， e2， f1， f2， k1， k2， l1， l2）從粗酒窩的中段提取水平和垂直輪廓，并精心匹配在一起。

圖 8.示意圖說明了不同開裂方向下的斷裂過程：（a）N-P，（b）N-N，（c）P-P和（d）I-I。突出顯示了NTB的各向異性增韌行為和NG基質中的裂紋擴展路徑（納米顆粒的尺寸不按比例繪制）。（c）中的插入SEM圖像顯示了P-P試樣裂紋尖端上的微裂紋（由白色箭頭表示），該裂紋在NTB（由白色虛線勾勒）和NG基質之間的縱向界面處開始。

圖 9.屈服強度之間的關系（σys）和初始斷裂韌性（Ki）對于不同裂解方向（即N-N、I-I、N-P和P-P）下的HNS Cu（DPD Cu ε=1.5），與不同裂解方向下的ECAP Cu進行比較（⊥GEP和∥GEP分別表示與晶粒伸長平面（GEP）垂直和平行的裂紋平面、高壓扭轉（HPT）Cu [60]和DPD銅（ε=2.0）在N-P方向上具有不同的NTB長度。

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