新型纳米结构金属材料的力学性能分析

郭春文

摘 要：金属以及合金材料等在航空航天等领域中的地位一向都是极其重要的，因此对新型金属材料进行研发有助于促进国际经济可持续发展。为了促进新型纳米结构金属材料有更加广泛的应用，该文将对新型纳米结构金属材料的力学性能进行全面的分析及探讨，其中主要以纳米孪晶材料、纳米层状材料、梯度结构材料以及混合结构材料4种材料展开详细论述。

关键词：纳米材料 金属结构 力学性能

中图分类号：O341 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（b）-0107-02

一直以来金属及其合金在海洋装备、交通运输、航空航天、国民经济以及国防军工建设中都是不可缺少的功能材料。一直以来，新型的金属材料都是材料科学以及凝聚态物理研究领域中不可或缺的前沿课题。在科学技术不断发展的条件下，越来越多的新型纳米结构的金属材料已经被科学家们研究出来了，其中主要包括纳米孪晶片层、纳米多层膜、纳米柱、纳米线材料等。该文将从以下4种材料入手，对新型纳米结构金属材料的力学性能进行具体分析。

1 纳米孪晶材料

纳米结构金属材料的界面力学主要包括晶界的强化机理和纳米孪晶界面的力学行为，所以纳米孪晶界对倾斜于孪晶界面的位错运动能够进行有效阻碍。材料强度与孪晶厚度，二者在含有高密度孪晶界的多晶金属材料中，是服从着传统的Hall-Petch关系。当孪晶片层厚度低于一定的临界尺寸的时候，孪晶界附近的初始就会出现可动位错密度增加的现象，同时孪晶界面也为位错滑移提供了非常有利的途径，当然，随着孪晶片层的细化孪晶材料的强度也会逐步呈现出一定的降低趋势。

众所周知，纳米孪晶界不仅能够大幅度提升纳米结构金属材料的韧塑性能，而且还有助于提高材料的应变强化能力，这些让人惊叹的独特的力学性能，都源于纳米孪晶界和位错的交互作用。孪晶界有时候会成为新的位错源，这是因为交互作用产生的残留位错在孪晶界上进行了不断的聚积，从而破坏了孪晶界的共格性，因此才产生了这种情况。与传统的大角度晶界强化方法有很大的不同的地方在于，孪晶界与位错的独特交互作用机制可以吸收大量的位错，这种位错不但容纳可观的塑性变形，同时还可以增强材料的加工硬化效应，这便是他们的不同之处。

2 纳米层状材料

纳米层状材料之所以受到国内外研究者工作者的狂热研究，主要是因为其强度和硬度都非常高。其金属内界面属于二维缺陷，采用物理气相沉积技术能够精确且完美的对层片的厚度进行控制，以此来制备各种体系的具有纳米尺度层状结构的金属材料。根据相关研究结果显示，层状金属材料的强度和组元层厚度之间通常呈現一种对立的关系，不过层状金属材料的强度一般会随着组元层的厚度的减小而逐渐增加。

学者所提提出的“切应力诱导纳米层状材料塑性变形能力再生”的物理机制是利用高分辨率透射电镜对压痕诱发Cu/Au层状材料的剪切带变形行为依据的研究所提出来的，该机制证实了切应力分量不仅能够帮助解锁位错和界面的反应产物，而且还能促进位错跨越界面，也能引起剪切带内组元层的连续薄化和塑性变形局域化，从而实现对材料的宏观塑性变形能力的制约。

3 梯度结构材料

梯度结构材料对于大多数人而言会比较陌生，不过它只是一种典型的非均匀材料，其材料的组成成分以及结构或者是物理性能等都会沿着某一个方向或者几个方向呈现出一些连续的梯度变化的特征。梯度结构材料已经被广泛扩展并应用到生物医学、化学、电子、核能以及光学等领域，其应用前景非常广阔，而且综合性能也极其优异。这种材料自提出开始就受到了世界的关注及轰动，更是受到了各国材料科学工作者的重视及追捧。例如，梯度复合技术制备的 Ti/Al2O3材料不仅具有高温抗氧化性，而且还具有高强度以及耐热性等，其在宇航工业中的应用应该会非常广泛。除此之外，经过人们表面喷丸技术处理的非晶金属材料，不仅梯度分布的残余压应力，而且还会有大量的预置剪切带，这种残余的压应力和这些大量的预置剪切带，能够有效地抑制材料表面裂纹的滋生，同时也能提高并改善变形性能。

不仅如此，根据梯度结构的定义以及表面机械研磨处理技术能够解决传统纳米结构金属材料高强低韧的难题，这是因为利用其所制备出来的梯度纳米金属铜材料的晶粒尺寸在空间上呈梯度分布，从而具有的屈服强度以及拉伸塑性变形能力相当高。根据微观结构的分析可知，一种全新的变形机制，正在主导着梯度纳米金属铜在拉伸过程中的塑性变形，并在人们毫无察觉的情况下，正在渐渐伴随晶粒长大，而这股神秘的力量就是机械驱动的晶界迁移。如果想大幅度提升孪晶钢材的强度且不损失其拉伸塑性，这一梦想可在孪晶结构的梯度多层次分布中得以实现。因此，可以通过一些通过预加的扭转变形手段，使得材料的强度由里而外呈线性增加，以获得孪晶钢材中孪晶密度的梯度分布。而高密度的孪晶界又可以起到容纳塑性变形的良好作用，从而使材料的加工硬化能力大大提升。

4 混合结构材料

金属玻璃主要包括非晶态金属及其合金，而且具有的特性包括液体、固体、金属以及玻璃的特性。非晶态Au-Si合金的首次合成是利用急速冷却的物理方法完成的。就在这之后，因为非晶合金的优越性能，从而使得不断涌现出很多的新型非晶合金。

所谓的非晶合金就是一种特殊的凝聚态的物质。非晶合金从宏观上可以是一种同性的均匀材料，而从微观上其原子在某种程度上具有不均性。其不均性可以从非晶合金的原子无序排列，非晶合金的原子无序排列上体现出来，而且在微米和纳米的尺度上依然存在结构以及动力学的不均性。

另外，这种混合材料还存在微尺度的涨落情况，之所以会出现这样的额情况，是因为它们在外力的作用之下，有些比较脆弱的原子团簇比其他原子更加容易被激活，不过这些被激活的原子团在局部区域内会发生剪切变形的现象。所以，从另一角度来看，这种结构的材料的塑性变形的潜力还是非常强的。然而STZ在常温下会出现局域化，从而形成剪切带，进而使其特征宽度比宏观式样的尺寸要小很多。常温下，剪切带内塑性变形非常严重，因此它们很容易会沿着剪切带断裂，使得材料会很快随之软化失效，随后形成裂纹，但是剪切带基本上并没有发生塑性流动。这样的非均匀变形模式使得常温下的非晶态合金材料无法承受拉伸载重所带来的负荷量，从而在很大程度上对该材料在工程中的应用有极大的限制。

5 结语

该文从微观角度分析了新型纳米结构金属材料的力学行为特征以及关键变形机制，以此作为该类材料的制备和工程应用的理论支持。通过综合整理收集的资料，具体分析了4种新型的纳米结构金属材料，介绍各类材料的成分以及组织等结构要素，从而很好地体现了新型纳米结构金属材料的力学性能，由于这些新型的纳米结构金属材料的结构具有多种多样的特征，因此也具有很多性能，尤其是强度和韧性方面的性能特别高。

参考文献

[1] 孟琦.新型纳米结构金属材料的设计合成及其催化和表面性能的研究[D].华东理工大学，2010.

[2] 康志新，彭勇辉，赖晓明，等.剧塑性变形制备超细晶/纳米晶结构金属材料的研究现状和应用展望[J].中国有色金属学报，2010，20（4）：587-598.

[3] 张传鑫.梯度纳米晶镍的力学性能和加工硬化研究[D].太原理工大学，2015.