导读：稳定非平衡纳米晶界可以提高纳米晶金属的强度。然而，对于这些稳定晶界如何影响具有非均相界面的纳米晶金属层状复合材料的疲劳行为，目前还缺乏深入的了解。为了在微机电系统中开发高性能的小部件，东北大学张滨教授等人制备了经过不同程度退火处理的纳米晶Ni/Ni- W层状复合材料。结果表明，在200℃退火后，Ni/Ni- W层状复合材料的疲劳强度显著提高，比制备的复合材料高40%，比Pt-10高40%。% Au合金的含量为17%，是目前微机电系统开关的最佳候选材料之一。疲劳强度的提高主要是由于退火引起的晶界松弛和机械引起的组织松弛。晶界弛豫通过提高GB的稳定性来提高强度，而机械诱发的结构弛豫导致三角形柱状晶粒在疲劳加载过程中向Ni-W层粗化和扩展。因此，三角形柱状颗粒引发的弥散应变局部化区在Ni层内进行了循环应变积累，削弱了局部损伤积累，从而进一步提高了抗疲劳性能。潜在机制的发现可能为设计在高温下工作的微机电系统开关的高性能材料提供了一种有前途的方法。

微机电系统(MEMS)开关非常适合通信系统，是微制造技术实现的关键小型化部件。这些开关大多由导电金属膜组成，该金属膜由静电原理驱动。MEMS开关经常受到机械振动或热循环的影响，小型金属部件的疲劳可靠性是长期工作稳定性的潜在问题。低电阻率和高可靠性是MEMS开关最重要的两个性能标准，因此，金具有低电阻率和抗表面氧化性，是开关的典型导电膜材料。然而，在循环加载过程中，金的低强度会导致触点磨损、变形和粘附，最终导致MEMS开关失效。因此，探索新型金属材料来改善开关的机械性能是保证MEMS器件可靠性的重要目标。

Lee等人报道了贵金属金合金的电阻率略高，同时硬度也有所提高，潜在地提高了机械强度。电沉积纳米晶Ni薄膜代替昂贵的贵金属作为MEMS器件的结构材料，具有优异的使用可靠性。此外，Ni的电阻率也不高于金，但具有与贵金属相对应的良好经济效益。然而，电沉积纳米晶Ni的晶粒在高温和/或机械载荷下容易发生粗化，这将导致强度急剧下降。降低晶界能量是减缓粗化过程的一种方法。这可以通过在Ni合金中添加W、Mo和Fe等元素来实现，这有助于减少溶质偏析导致粗化的热力学驱动力。从而提高了纳米颗粒的稳定性。然而，由于塑性变形的过早不稳定，这些纳米晶合金不可避免地会使小型部件的力学性能恶化。

最近的研究表明，由高密度非均质层界面组成的纳米级金属层状复合材料(LCs)，与传统的高角度GBs组成的单片纳米晶结构相比，在强度和延展性之间表现出了非凡的协同作用。通过防止疲劳裂纹的萌生和扩展，可以显著提高纳米级碳纤维的疲劳性能。这主要得益于硬层的高强度和软层优异的变形能力。前期工作表明，Ni/Ni- W LCs在室温下的疲劳性能明显优于那些单片纳米晶Ni。尽管如此，机械部件的永久变形通常与温度有关。由于MEMS封装在大约200°C或更高的温度下进行，这将导致纳米晶LCs的潜在退火松弛，并且由于悬臂梁开关的反复弯曲而导致的后续循环加载也可能导致LCs的机械诱导结构松弛。因此，纳米晶碳纤维的热稳定性和力学稳定性对其长期使用的疲劳性能至关重要。

一些研究表明，纳米晶材料在低温退火过程中非平衡边界的松弛对硬度的提高有重要作用。低温退火引发的GBs处的结构转变使残余的晶格缺陷消失，但避免了明显的晶粒长大，从而提高了强化能力。退火后的GB能量可以通过更有序的GB结构来降低。因此，适当的GB弛豫有望提高纳米结构的抗疲劳裂纹萌生能力。此外，机械诱导的结构松弛可以削弱局部循环应变，从而提高抗疲劳裂纹扩展能力。Lu等研究发现，塑性变形可以通过多重孪晶引发纳米金属的结构松弛，变形过程以部分位错活动为主。由于GB与部分位错的相互作用，纳米晶GB可以演化为低能态，原始GB通过发射层错被解离成两个甚至三个GB。纳米孪晶的形成可诱导GB弛豫至低能级并趋于稳定。这些退火诱导的GB弛豫和机械诱导的结构弛豫的研究表明，有必要研究退火和循环加载诱导的结构弛豫对纳米晶LCs疲劳性能的联合影响。

在本工作中，张滨教授等人制备了经过不同程度退火处理的纳米晶Ni/Ni- W LCs。结果表明，在200℃下退火的Ni/Ni- W LCs具有优异的疲劳强度，与沉积态相比提高了40%，与Pt-10相比提高了17%。% Au合金(目前MEMS开关的最佳候选者之一)。此外，他们揭示了适当的退火诱导晶界弛豫和随后的机械诱导结构弛豫在有效协调疲劳加载下LCs循环应变积累方面发挥关键作用的基本机制。

相关研究成果以“Achieving high fatigue endurance of nanocrystalline Ni/Ni-W layered composites through thermally and mechanically-induced relaxations”发表在Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424004427?via%3Dihub

图1所示。(a) AD， (b) AN-200， (c) AN-300， (d) AN-400， (e) AN-500样品的横断面SEM观察。(f) AD和AN-500样品Ni层的面内晶粒尺寸分布。

图2所示。(a) AD和(b) AN-200样品的横截面亮场TEM图像。(c) AN-200样品Ni-W层中松弛的微小纳米颗粒的横截面HRTEM图像，插图分别为两个颗粒的快速FFT图。(d) AD和AN-200样品的XRD谱图。AD和AN-200样品(e) Ni-W层的面内晶粒尺寸分布。

图3所示。(a)固定应力幅σa = 360 MPa时，不同退火温度下Ni/Ni- W LCs的循环次数与失效曲线的比较。(b)应力幅值与AD、AN-200和Pt-10的失效循环次数的关系。% Au，换算成R =?1的条件。箭头表示运行失败。

图4所示。(a)不同退火温度下Ni/Ni- w lc的疲劳断口(a)、(d)、(g)、(j)和断面损伤形貌(b)、(c)、(e)、(f)、(h)、(i)、(k)、(l)的SEM观察。

图5所示。(a) AN-200试样在σa = 437 MPa (R = 0.1)条件下6 × 106次循环疲劳后断口附近变形区域的横截面形貌及相应的(b)、(c)区1、(d)、(e)区2变形损伤的放大观察。

图6所示。AN-200试样在σa = 437 MPa (R = 0.1)下疲劳6 × 106的透射电镜图像。TCG形态的亮场(a)和暗场(b)分别为TEM图像。(c)局部应变区(图中为虚线框区域的放大图)，(d) Ni层的GB对中。

图7所示。(a)疲劳断裂后AN-200粗界面HAADF-STEM截面观察。对应的Ni和W元素沿(Ⅰ)和沿(Ⅱ)TCG的EDS线扫描剖面图。(b-f) AN-200在应力幅σa = 437 MPa (R = 0.1)条件下6 × 106疲劳断裂后的面外TKD特征。

图8所示。(a)疲劳加载前AN-200粗界面截面HAADF-STEM观测，(b)为(a)的高倍放大观测。粗界面处Ni、W元素的EDS线扫描剖面图(c-d)和EDS图(e-f)。

图9所示。(a)疲劳加载前AN-200试样粗界面处tcg的亮场TEM图像和相应的放大观察(b)。(c) (b)阴影区域的HRTEM图像，该区域包含层错和平行于生长方向的ctb。(d) AN-200试样在应力幅σa = 437 MPa (R = 0.1)下疲劳断裂6 × 106后，TCGs嵌入Ni-W层的亮场TEM图像。(e) (d)中虚线框区域TCG尖端的近距离透射电镜观察。(f) (e)中TCG尖端的微小Ni-W纳米颗粒的相应HRTEM观察。

图10所示。可能的错取向角(φ)适合TCGs和微小的Ni-W纳米颗粒在互孪机制下聚结。

图11所示。(a) AN-200在应力幅σa = 437 MPa (R = 0.1)下疲劳断裂6 × 106次后的亮场透射电镜图像。(b)对(a)中虚线帧区域的近距离观察。(c-e)分别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区域对应的详细HRTEM图像。插图是快速FFT模式。

图12所示。TCG形成机理示意图。(a) AD样品中细小的Ni- w TCG， (b)低温退火诱导的GB弛豫使TCG变得有序，(c) TCG与TCG尖端微小的Ni- w纳米颗粒和循环变形过程中Ni层形成的沉陷区相互孪晶生长，(d)孪晶辅助TCG生长并形成应变局部化区。

对层状Ni/Ni- W纳米复合材料在不同退火温度下的疲劳性能进行了研究，探讨了退火诱导疲劳耐久性提高的机理。得出以下结论:

（1) 退火诱导的GB弛豫和机械驱动的结构弛豫表现出最佳的疲劳耐久性。在循环变形过程中，TCGs变长变粗，有利于Ni层多个沉陷区和应变局部化区域的形成，削弱了单个致命应变局部化区域的形成。

（2）在疲劳加载过程中，以柱状Ni-W纳米晶粒为特征的TCG可以与TCG尖端的微小Ni-W纳米晶粒相互孪晶，向Ni-W层扩展。

（3）在疲劳载荷作用下，TCGs中以孪生和去孪生为特征的机械诱导结构松弛过程进行了一定的循环应变积累，从而进一步提高了其抗疲劳能力。