《Acta Materialia》纳米孪晶FCC金属中柱状晶驱动的塑性与开裂

纳米孪晶(nt)面心立方(fcc)金属在超细晶粒内部具有纳米级相干孪晶界(CTB)，与无孪晶的多晶材料相比，能够调整孪晶边界间距(TBS或λ)和平均晶粒尺寸(d)这两个微观结构尺寸，nt金属已被证明具有优异的强度/延展性组合。例如，具有等轴晶粒的块状nt-Cu金属在d-500 nm和λ-15 nm时最大强度可达约1 GPa，均匀伸长率可达14%。当d-50nm时，对于λ<7 nm的范围，喷射沉积的nt-Ag金属的硬度值达到3GPa，远高于该金属以前的硬度记录(~2 GPa)。已有研究表明晶界（GB）滑动对于纳米孪晶金属的影响至关重要，但是目前GB滑动对纳米孪晶金属可塑性的影响尚未得到系统研究。

美国佛蒙特大学的研究人员使用MD模拟来分析纯纳米孪晶Ag、Cu、Al和Ni塑性变形过程中，孪晶尺寸和金属类型如何影响位错和GB滑动的，指出了GB滑动对纳米孪晶fcc金属可塑性和断裂机理的重要性。相关论文以题为“Columnar grain-driven plasticity and cracking in nano twinned FCC metals”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116925

研究发现四种金属中均观察到了CTB增强作用，λ>5nm时nt-Cu和nt-Ni的应力与TBS具有较大依赖关系。nt fcc金属中，由于GB滑动导致柱状晶nt-Ni的应变速率敏感性比其他金属的应变速率敏感性更大。GB滑动能够显著影响金属的整体塑性变形，nt-Ni的GB滑动更显著，当nt-Cu、Ag、Al中的应力随TB间距的减小而线性增加时，由于临界CTB间距小于6 nm，nt-Ni达到了最大强度极限。当变形量小于2%时，所有金属的GB滑动基本相同，当变形量在2%-5%时，nt-Ni的可塑性和GB自由体积显著增加，变形量继续增大时出现GB裂纹，裂纹类型为含塑性的晶间断裂，而不是脆性断裂，这是由于不同区域中微孔的形成和生长。

图1 MD模拟不同孪晶界间距(TBS)的nt-Ni、nt-Cu、nt-Ag和nt-Al在300 K、2×10⁸/s应变速率下的拉伸变形

图2 孪晶尺寸和金属类型对流变应力和位错机制的影响

图3 nt-Ni（λ=1.83 nm）的GB开裂机制与应变关系

所有具有柱状晶形态的nt金属的位错机理，与孪晶尺寸呈一定函数关系，柱状nt金属中观察到的大多数与孪晶界相关的强化作用可以通过晶界应力集中对应力应变的影响而合理的解释。等轴晶粒中的GB受到法向载荷和剪切载荷的共同作用，可能有助于其他滑动模式的形核，进而影响GB自由体积的迁移。

图4在相同原子数、相同TBS和相同初始微观结构下不同金属模型的GB滑动结果

图5 不同金属在von-Mises准则下的应变率。

本文研究了四种nt fcc金属的GB塑性和GB应力集中的强度和机理。本研究没有发现TBS对拉伸变形金属的GB原子应变有显著影响，与前人的MD模拟结果相悖，对于CTB在GB可塑性机制中的作用需要进一步进行研究。本文为进一步改善纳米孪晶fcc金属的机械性能提供了理论依据。（文：破风）