金屬單晶體中孿晶變形強度與尺寸成反比

近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室微納尺度材料行為研究中心研究生余倩在導師孫軍、肖林等指導下，與美國賓夕法尼亞大學李巨教授、丹麥瑞瑟國家實驗室黃曉旭博士合作，對微小尺度金屬單晶材料中的孿晶變形行為及其對材料力學性能的影響進行了深入研究，發現單晶體外觀尺寸對其孿晶變形行為的強烈影響，以及相應材料力學性能的顯著變化。該研究結果發表在1月21日出版的《自然》雜志上。
　　孫軍等通過實驗設計，基于六方晶體結構金屬孿晶、位錯滑移變形的特異性，選取鈦—5%鋁合金單晶中以孿晶變形為主導塑性變形方式的晶體取向，有針對性地研究了孿晶變形在微小尺度材料中的行為規律和機理。結果發現，當外觀幾何尺度減小到微米量級時，與相應宏觀塊體材料相同，材料的塑性變形仍以孿晶切變為主，但材料的屈服強度及其塑性變形中能夠承受的最大流變應力均有顯著的提高。但當晶體的外部幾何尺度進一步減小到亞微米量級時，其塑性變形方式將發生根本性轉變：孿晶變形被位錯滑移變形所取代。而發生這一轉變的臨界特征晶體尺寸為1微米左右，遠大于多晶納米材料強度極值對應的20納米。文中提到，由于僅有1%左右的位錯可作為極軸，而晶體尺寸愈小，就愈難于利用螺型位錯的極軸作用將兩個相鄰的滑移面有效耦合在一起形成孿晶，從而解釋了孿晶變形具有強烈的晶體尺寸效應和“尺寸愈小、強度愈高”的內在原因。
　　該研究結果對于系統認識微小尺度材料的力學行為有著十分重要的作用。對于微電子元器件與微機電系統所用材料的性能表征評價與設計，特別是利用其強度的強烈晶體尺度效應進行微納加工等具有重要指導意義。