bob客户端下载《Acta Mater》： 层错能和短程有序对小尺度材料力学性能

　　bob客户端下载合金化是金属结构材料设计的重要手段。通过向金属单质中添加少量溶质元素形成固溶体，可以达到调控料力学性能的目的。伴随着溶质元素的引入，材料的多种本征参数会发生变化，这其中包括对材料塑性变形和材料力学性能具有重大影响力的层错能和溶质元素短程有序性（短程序）。

　　层错是一种二维晶格缺陷，层错能为引入单位面积层错所需要的能量。降低层错能会促进位错分解，变形孪晶，并且抑制位错交滑移等。短程序为溶质原子在几个纳米范围内非随机的排布。提高短程序会导致滑移面软化效应(Glide plane softening) ，促进位错的平面滑移。在真实的合金材料中，层错能和短程序往往同时作用，共同决定材料的变形机制和力学性能。

　　除了层错能和短程序以外，材料的尺寸也是一个影响材料力学行为的重要因素。当材料尺寸降低到微米尺度或以下时，材料显现出越小越强的趋势，其强度甚至可以达到理论极限。这种尺寸效应主要由于材料缺陷的行为在样品尺寸微、纳米化的过程中发生了显著的变化。这些改变使得纳米塑性展现出许多与宏观变形所截然不同的现象。然而，在这样一个特别的塑性变形体系下，目前尚无针对层错能和短程序这两个极重要的材料本征参数的系统性基础研究。

　　为了探究这个问题，悉尼大学等单位的研究人员采用原位变形电子显微学，以铜铝合金为模型材料，系统性地探索了材料尺寸、层错能和短程序在合金化的过程中对材料多种力学行为的影响。该研究对于认识金属材料微、纳米尺度变形以及进行合金设计具有参考意义。相关论文以题为“Mechanical properties and deformation behaviours of submicron-sized Cu–Al single crystals”发表在期刊《Acta Materialia》上。

　　1. 铜铝合金单晶纳米微柱的流动应力尺寸效应受到层错能的显著影响：降低层错能会减弱尺寸效应，反之亦然。主要原因在于合金化过程中层错能的改变对于位错源的影响。

　　2. 所选铜铝单晶纳米微柱的加工硬化率均随着样品尺寸减小而上升，且加工硬化的尺寸效应明显受到铜铝合金中铝成分的影响。原因是不同的样品尺寸，层错能和短程序所导致的不同的变形机制。

　　3. Cu微柱由大尺寸（~1微米）下的多系滑移演变为小尺寸下的变形孪晶（200 nm）；Cu – 7 at.%Al微柱由大尺寸下的单系多点激活的变形孪晶转变为小尺寸下的孪晶界扩展； Cu – 15 at.%Al的变形机制受到低层错能和高短程序的竞争作用：大尺寸Cu – 15 at.%Al中高短程序主导变形，材料以集中的滑移带为主。小尺寸Cu – 15at.%Al中低层错能主导，材料以变形孪晶为主。合金材料中短程序和层错能对材料变形机制的决定作用受到样品尺寸的显著影响。

　　亚微米尺寸范围内的Cu，bob客户端下载Cu-7 at.%Al 和 Cu-15at.%Al 单晶（层错能递减，短程序递增）沿001方向压缩结果如图1所示：三种材料均呈现出了明显的强度尺寸效应。并且曲线显示出非常明显的抖动，bob客户端下载表明塑性变形中伴随有明显的应变突变（strain burst）。

　　图1. 工程应力–应变曲线展示了针对三种材料中的大量位错突变的统计分析结果。发现三种材料的塑性稳定性存有明显的区别：1）三种材料的位错突变分布区间不同；2）三种材料的位错突变分布标准差不同；3）三种材料出现的最大位错突变幅度不同。

　　除此之外，三种材料强度尺寸效应存有明显区别。研究表明：1）Al含量越高，尺寸效应越微弱；2）应变越大，同种材料的尺寸效应越明显。

　　在后续研究发现，强度尺寸效应随材料成分的改变，主要由于层错能对位错源激活力的影响；强度尺寸效应随着应变幅值的变化，主要由于三种材料加工硬化行为不同。这些内容通过后续的显微学表征得到证明。

　　上述表征系统地表明了随着Al含量的增加，在不同的亚微米尺度下铜铝体系呈现不同的变形特征，并且由层错能、短程序以及样品尺寸共同主导。

　　除此之位，材料的加工硬化行为也受到三个因素的协同影响。图9展示了三个材料的加工硬化率。图10展示了在不同的应变幅值下，三种材料加工硬化率的变化趋势。

　　最后，作者发现调整材料的尺寸可以改变层错能和短程序对材料变形行为的竞争关系。机制如图9 所示。详见文中讨论。

　　综上所述，本文以铜铝合金单晶微柱为例，bob客户端下载系统地研究了样品尺寸，层错能和溶质元素短程序对于单晶塑性稳定性，屈服强度，变形行为和加工硬化等因素的影响。详细内容请参见原文。（供稿：钮然铭）