中科院卢磊教授团队《Acta Materialia》：发现异质纳米结构铜中纳米孪晶束的各向异性增韧效应！

2022-03-07 10:11:59 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文研究了这种具有优先取向纳米孪晶和细长纳米晶粒的异质纳米结构 Cu 的各向异性断裂行为。根据裂纹平面相对于纳米孪晶束的方向（或细长纳米晶粒的排列），异质纳米结构 Cu 显示出明显的各向异性断裂行为。当裂纹平面和裂纹扩展方向都垂直于纳米孪晶束时，异质纳米结构 Cu表现出最高的断裂韧性（ J IC ），这大约是裂纹平面和裂纹生长方向都平行于纳米孪晶束的情况的三倍。这种与取向相关的断裂韧性归因于纳米孪晶束的各向异性增韧和由细长纳米晶粒引起的裂纹偏转。

均质纳米孪晶（NT）金属表现出高强度，中等延展性和加工硬化的显著特性。对于具有优先取向纳米孪晶的金属，已经认识到各向异性塑性变形有三种不同的位错模式，即硬模式I（位错堆积和跨孪晶界（TBs）的传输），硬模式II（双/基体层状通道中的螺纹位错滑动）和软模式（平行于TBs的位错滑动）分别主导了塑性变形，正常，平行和45°倾斜到TB。分别不同的位错模式的特点是由于有非常多样化的流动阻力和应变硬化。

最近，我们证明了嵌入纳米颗粒（NG）基质中的具有优先取向且纳米孪晶（NTBs）的异质纳米结构也表现出深刻的取向依赖性变形和机械行为，这是由NTBs的各向异性强化效应以及NT区域与周围NG基质之间界面处的取向依赖性变形相容性引起的。纳米孪晶只有在两个微观结构部件的共同变形被激活时才能发挥实质性的强化作用，例如在平行张力下；否则，由于明显的菌株不相容性，nanotwins的强化不能完全有效。

通过一系列研究，研究了 NTB 在 HNS 金属中的增韧效果，这表明 NTB 不仅在本质上增强通过抑制应变局部化和空洞形核来提高裂纹尖端的塑性，但也可以作为裂纹前沿后面的裂纹桥，并通过屏蔽裂纹尖端来外部抵抗断裂。与传统复合材料中元素的硬度和弹性/塑性变形的巨大差异（例如，独特的硬第二相和软基体）相比，由于两者之间的不匹配，损伤总是从硬/软界面开始。坚硬但可变形的NTBs不仅能适应塑性应变，约束NG基质中的损伤成核，还能促进界面处的有效应变传递，从而抑制界面开裂。

然而，目前缺乏关于这种HNS金属中纳米孪晶的取向依赖性增韧的研究，原因是仍然难以制备满足不同取向下断裂韧性测试的标准尺寸的样品。为了优化增韧，非常需要评估具有非关税壁垒不同开裂取向的HNS金属的断裂韧性，并分析与非关税壁垒取向相关的潜在各向异性增韧机理。

在本研究中，中国科学院金属研究所卢磊团队联合中国科学技术大学、南京理工大学对由NTBs和NG组成的HNS Cu的各向异性断裂行为进行了系统研究。基于定制设计的裂纹开口位移（COD）测量系统对具有不同裂纹平面的试样进行断裂测试，以定量评估其抗断裂性。NTB 通过充当不间断的桥梁来抑制裂纹打开，从而在 NN 和 NP 方向上提供有效的增韧；而在 P-P 和 I-I 方向，由于微裂纹在 NTB 和 NG 基体的界面处过早产生，桥接增韧不起作用。此外，N-N 和 I-I 方向的明显裂纹偏转有助于提高抗断裂性。在裂纹桥接和裂纹偏转增韧机制都被激活的方向（N-N）中发现的高强度和显著断裂韧性相结合，这意味着各向异性可能是增韧高强度的潜在策略纳米结构材料的关键方向。本研究以题“Anisotropic toughening of nanotwin bundles in the heterogeneous nanostructured Cu”发表在金属刊物Acta Materialia上。

链接：

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

图 1.CT标本及其在DPD盘中的方向示意图。微观结构组件，即纳米孪生（NT）和细长纳米颗粒（NG）也示意性地示意性地说明了每个样品的横截面。此外，右侧的放大图像更清楚地显示了微观结构（绘制不按比例）。

图 2.（a）将SEM-BSE图像投影在立方体上，以在三个观察方向上可视化DPD Cu的微观结构。（二、丙）典型的横截面微观结构，以嵌入纳米颗粒（NG）基质中的束的形式显示纳米孪生（NT）。（d）对横截面微观结构的详细TKD观测，该结构绘制为相对于DPD方向的反极图（IPF）图。（e）根据从尼泊尔国家集团区域获取的传统知识数据的KAM地图。（f）纳米颗粒纵向和横向GB附近局部偏向角的统计分布。

图 3.（a）不同方向的力与载荷线位移曲线。应用卸载顺应性技术来确定瞬时裂纹长度。（b） J积分的变化作为根据（a）中的数据计算的裂纹延伸的函数。

图 4.从CLSM 3-D拓扑中提取的相同裂纹路径剖面图，包括N-P（a），N-N（b），P-P（c）和I-I（d）试样的两个裂缝半部分，这些裂纹路径排列到与钝化预裂纹尖端合并之前的第一个空隙（由黑色三角形标记）的点。黑色箭头表示裂纹扩展方向，如下图所示。

图 5.对N-P（a1），P-P（b1），I-I（c1）和N-N（d1）的宏观分形特征的扫描电镜观测。（a1-d1）中的白色虚线表示从疲劳前区域到过载断裂区域的过渡。（a2， b2， c2， d2）分别对对应于（a1，b1，c1，d1）的区域进行三维CLSM观测，描绘了裂缝表面的高度变化。颜色表示以μm为单位的相对高度。分别沿着断裂试样的中线提取重建的裂纹剖面（红线和蓝线）。

图 6.对N-P（a），N-N（b），P-P（c）和I-I（d）的微观分形特征的扫描电镜观察。粗糙的酒窝（由白色虚线勾勒）清楚地出现在中等酒窝的均匀背景上。此外，在中等酒窝之间还发现了少量细小的酒窝（用白色箭头表示）。

图 7.对N-P（a1，a2），N-N（b1，b2），P-P（g1，g2）和I-I（h1，h2）标本的两个破碎半部的断裂表面上的粗糙凹痕对进行SEM观察。（c1， c2， d1， d2， i1， i2， j1， j2）分别在对应于（a1，a2，b1，b2，g1，g2，h1，h2）的相同区域上进行CLSM成像，代表这些酒窝的3-D形态。颜色代表以μm为单位的相对高度。（e1， e2， f1， f2， k1， k2， l1， l2）从粗酒窝的中段提取水平和垂直轮廓，并精心匹配在一起。

图 8.示意图说明了不同开裂方向下的断裂过程：（a）N-P，（b）N-N，（c）P-P和（d）I-I。突出显示了NTB的各向异性增韧行为和NG基质中的裂纹扩展路径（纳米颗粒的尺寸不按比例绘制）。（c）中的插入SEM图像显示了P-P试样裂纹尖端上的微裂纹（由白色箭头表示），该裂纹在NTB（由白色虚线勾勒）和NG基质之间的纵向界面处开始。

图 9.屈服强度之间的关系（σys）和初始断裂韧性（Ki）对于不同裂解方向（即N-N、I-I、N-P和P-P）下的HNS Cu（DPD Cu ε=1.5），与不同裂解方向下的ECAP Cu进行比较（⊥GEP和∥GEP分别表示与晶粒伸长平面（GEP）垂直和平行的裂纹平面、高压扭转（HPT）Cu [60]和DPD铜（ε=2.0）在N-P方向上具有不同的NTB长度。

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