金属纳米丝力学行为研究进展

纳米尺度下结构力学行为因为表面效应和尺寸效应而与宏观尺度下结构力学行为有着本质的不同，分子动力学方法因其能通过原子运动理解结构变形细节而在纳米结构力学行为模型中得到广泛应用，本文综述了近期在纳米丝结构力学研究方面的进展，包括自由弛豫态，应力应变关系，表面效应和尺寸效应，应变率效应等。     

单晶镍拉伸行为的分子动力学仿真

为了研究单晶镍的拉伸行为,采用LAMMPS分子动力学软件模拟分析了拉伸温度(300、 600和900 K)、晶向([100]、[110]、[111])以及孔洞的缺陷数量(0、 1、 3)和直径(0.2a、 0.4a、 0.6a)对单晶镍拉伸行为的影响规律。结果表明:拉伸温度和晶向影响单晶镍的塑性变形方式,而孔洞的缺陷数量和直径影响单晶镍的力学性能。随着拉伸温度的增加,单晶镍的塑性变形方式由相变和层错为主转变为单一的层错变形方式;在[100]晶向上,单晶镍的塑性变形方式以相变和层错为主,而在[110]和[111]晶向上,则以层错为主;与孔洞缺陷数量相比,孔洞缺陷直径对单晶镍的力学性能影响较大,孔洞缺陷的存在致使单晶镍主要以层错形式发生塑性变形,且层错沿与拉伸方向成45°或135°的方向扩展。     

温度对碳纳米管增强纳米蜂窝镍力学性能的影响

选取含质量分数为5.22‰碳纳米管(CNT)为代表,通过分子动力学(MD)研究了温度对纳米蜂窝镍(NNHC)和CNT增强纳米蜂窝镍(CRNNHC)在径向拉伸、径向压缩、轴向拉伸和轴向压缩下力学性能的影响。结果表明,NNHC和CRNNHC的弹性模量(E)和最终应力(σu)对温度较为敏感,都随温度升高呈近似线性下降。相比于NNHC,不同温度下CNT的添加对CRNNHC径向力学性能的增强效果并不明显,而对其轴向力学性能则起到了良好的增强作用。CRNNHC轴向拉伸与压缩时的弹性模量提升幅值分别为6.4%～10%与9%～12%,最终应力提升幅值分别为1.5%～5.3%与10%～14%。研究表明,不同温度下CRNNHC沿轴向变形的力学性能普遍要优于沿径向变形的力学性能,也预示着轴向变形时CNT被破坏前吸收的能量相对较多。     

镍基单晶高温合金CMSX—2持久拉伸的显微组织形态及力学行为

在７６０－１０５０℃和７８０－１１５ＭＰａ范围内。选择不同温度应力配合进行了持久拉伸实验。研究了温度和应力的变化对试件断裂寿命的影响。以及温度、应力和断裂寿命与共格相特征尺寸（基体相γ水平通道宽度、筏形析出相γ′厚度）和试件延伸率及断面收缩率的关系,结果表明,在各实验条件下,γ′除了进行定向粗化以外,相邻数裂γ′不可沿外应力轴方向发生不同程度的纵向合并,尽管在较高的温度下外应力较低,γ′纵向合并的     

粗晶与纳晶镍片拉伸力学行为

和普通粗晶金属材料相比,纳米晶体金属通常具有较高的强度和硬度,但其韧性明显降低。为了探究导致纳晶金属低韧性的原因,以高纯度、高致密度的粗晶和纳晶金属镍片为研究对象,利用数字图像相关技术研究了其在单轴准静态拉伸下的力学性能。通过分析2种试样的应变场证实,粗晶镍的塑性变形是均匀的,而纳晶镍的塑性变形表现出局部剪切带化。这种局部剪切带化行为是导致纳晶镍过早断裂的主要原因。     

镍基单晶合金的厚度效应

考察了镍基单晶合金ＤＤ３板试样在厚度为０．５，１．０，２．０ｍｍ、晶体取向为［００１］，［０１１］，［１１１］和［１１２］以及试验温度为１０００，９５０，８５０和７６０℃下的变形和破坏规律。宏观结果表明，厚度效应表现出与温度的相关性：１０００℃时，试样越薄，屈服强度越高；９５０℃以下，试样越厚，屈服强度越高。ＳＥＭ细观断口形貌分析表明，除１０００℃［００１］取向试样断口表现出韧窝断裂模式外，其余试     

纳晶与粗晶镍片微划痕力学行为与变形机制

纳米晶体材料优异的力学性能和特殊的变形机制为其工程应用奠定了基础。为探究纳晶材料的力学性能与变形机制,以高致密度和高纯度纳晶镍片为研究对象,利用微划痕技术测试其划痕硬度、抗划痕性能、划痕回弹性能、摩擦力与摩擦系数等力学行为,并与粗晶镍片进行了对比。结果表明,纳晶试样具有较高的划痕硬度和抗划痕能力以及较低的摩擦力与摩擦系数。同时,基于划痕力学行为探讨了2种试样的塑性变形机制。结果显示,纳晶镍试样的塑性变形机制以晶界滑移和晶间扩散为主,而粗晶镍试样的塑性变形中位错的发射与堆积占主导。     

BGA焊点界面化合物纳米压痕力学行为

利用纳米压痕法对BGA焊点(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面化合物(IMC)进行了压痕试验.基于Oliver-Pharr法确定了(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn的弹性模量和压痕硬度,研究了加载速率对IMC纳米压痕力学行为的影响及其变化规律.结果表明,锯齿流变效应与加载速率的大小是相关的.在加载速率较小的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn都具有锯齿流变效应,但程度不同;在加载速率较大的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₃Sn锯齿流变效应不明显,而Cu₆Sn₅的锯齿流变效应相对明显.(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面IMC的弹性模量分别为126,118,135 GPa;压痕硬度分别为6.5,6.3,5.8 GPa;含镍的(Cu,Ni)₆Sn₅化合物弹性模量和压痕硬度均比Cu₆Sn₅的值要高.     

金刚石刀具微纳米切削单晶镍亚表面损伤

采用分子动力学软件Lammps研究金刚石刀具微纳米切削单晶镍的微观动态过程,分析不同切削方向和不同切削深度下单晶镍微纳米切削过程中缺陷的类型、切削力和损伤的关系以及位错线的演化规律。结果表明：刀具的挤压和剪切作用使单晶镍工件产生高压相变区和非晶区,其亚表层存在原子团簇和位错滑移。沿[100]晶向切削,切削力最小,且位错损伤层厚度最小为2.15 nm;沿[111]晶向切削,表面层的质量最好,但损伤层厚度最大为3.75 nm。切削过程中,位错线的总长度整体呈上升趋势,[110]方向去除的原子区域最大,位错线长度最大。切削深度越大,晶体内部的位错滑移和非晶化越严重。     

含孔洞缺陷的单晶镍拉伸行为：孔洞生长和聚集机理

利用分子动力学模拟研究了孔洞中心形成平面与加载方向的夹角（θ）对单晶镍在单轴拉伸下孔洞生长和聚集行为的影响及机理。结果表明：单晶镍的屈服应力和平均流动应力随着夹角θ的增加而下降,应力下降速率随着夹角θ的增加而加快。当夹角θ=90°时（加载方向垂直于孔洞中心平面时）,单晶镍中孔洞独立生长时间最短且孔洞之间最先发生聚集,导致其最易进入软化阶段,这是由于夹角θ=90°时,单晶镍中最快的孔洞体积分数增长速率和损伤演化速率。当夹角θ=90°时,单晶镍中1/6<112>(Shockley)位错长度的显著降低,以及fcc晶体结构的原子数目向Other和hcp晶体结构的最大转变速率,导致θ=90°时单晶镍的损伤演化速率最快且损伤程度最剧烈。值得注意的是,当θ=90°时单晶镍中孔洞最易聚集是由于该条件下孔洞表面受到更大的拉应力作用。通过该工作,旨在揭示金属材料在高应变率下的孔洞聚集行为及机理,并对揭示其软化行为和断裂机理提供了理论指导。     

单晶镍纳米薄膜单向拉伸破坏的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了单晶镍纳米薄膜受单向拉伸破坏的过程, 得出纳米尺度单晶镍薄膜的应力-应变关系、能量演化曲线和镍薄膜构型的变化及微损伤的形成和扩展过程. 模拟采用原子镶嵌势描述原子间作用, 得到镍单晶薄膜的弹性模量, 分析了拉伸过程中系统原子能量、应力变化和外荷载的关系. 结果表明: 纳米薄膜的自由表面影响拉伸过程中原子的运动和薄膜整体力学性能, 纳米薄膜破坏的几何特征是原子空位的连接和晶胞缺陷的扩展; 单晶的断裂接近脆性断裂, 模拟得到纳米薄膜的断裂强度符合Griffith脆性断裂的能量平衡理论.     

镀镍石墨粉对铜基石墨复合材料力学性能的影响

采用粉末冶金工艺制备铜基石墨复合材料,考察烧结工艺、石墨粉颗粒表面镀镍及强化相对铜基石墨复合材料的力学性能和组织结构的影响,并对材料的组分、显微组织形态结构及断口形貌等进行系统的观察和分析,测试材料的硬度、冲击韧性和在室温、300℃、500℃各温度的压溃强度。结果表明:采用镀镍石墨粉改善了石墨和铜合金基体界面结合状态,界面结合更加牢固紧密,明显提高铜基石墨复合材料的力学性能,室温压溃强度和冲击韧性提高了30%~50%,高温强度提高了35%~60%,而对复合材料的硬度影响不大,复压复烧工艺更有利于发挥镀镍石墨粉的优越性。     

超细镍纳米线拉伸性能的温度和应变率相关性的分子动力学研究

基于EAM势,采用分子动力学方法对超细镍纳米线（直径分别为3．94、4．95和5．99nm）在（100）晶向的拉伸性能进行研究,并对其温度相关性和拉伸应变率相关性进行探讨。结果表明：弹性模量和屈服强度随着温度的升高而逐渐降低,并且随着拉伸应变率的增大,应力一应变曲线波动程度变大,超细镍纳米线发生断裂时的应变越来越小。在0．01K温度下,超细镍纳米线屈服强度随拉伸应变率的升高迅速降低;但在其它温度条件下,拉伸应变率对弹性模量和屈服强度的影响较小。简要分析尺寸大小对镍纳米线拉伸性能的影响。     

微纳米覆盖层材料的力学性能表征探讨

使用Agilent公司G200微/纳米压痕仪对多种微纳米覆盖层材料的力学性能进行了测量。结果表明,通过连续刚度法测量微纳米涂层材料,可以获得涂层硬度和弹性模量,并能得到涂层硬度或弹性模量随厚度的变化规律;通过试验也可以看到,纳米压痕法测量膜材的力学性能存在明显的表面效应;基材对膜材的力学性能没有影响;膜材厚度越大,同一深度测得的膜材的弹性模量越高。     

表面纳米化焊接接头力学性能研究

采用超音速微粒轰击(Supersonic Particles Bombarding)技术对0Cr18Ni9Ti不锈钢和16MnR低合金钢焊接接头表面进行处理,利用金相显微镜和透射电镜对材料表层结构进行表征,并测量了处理后焊接接头表层硬度、拉伸性能、弯曲性能和残余应力.结果表明:经超音速微粒轰击处理可以在焊接接头表层形成尺寸均匀的纳米晶组织,而且纳米化结构表层的硬度远高于心部,材料的抗拉强度和屈服强度均有提高.     

Effect of surface preparation on corrosion properties and nickel release of a NiTi alloy

Surface preparation is potentially important to the corrosion and biomedical properties of NiTi shape memory alloys.The effect of surface preparation on corrosion properties and nickel release of a Ti-56 wt.%Ni alloy has been studied.Surface of the NiTi coupons were prepared by four methods, namely, chemical etching, electropolishing, mechanical polishing and oxidizing, and then examined by corrosion test system.Furthermore, the Ni ion releases from NiTi samples with different surface preparations dipped in 1% HCl solution were analysed.Compared with the surface after chemical treatment, mechanical polishing and thermal oxidation, electropolished surface has better corrosion resistance and less nickel release for not only its lower surface roughness, but also the composition and property of its surface film.     

纳米B4CP/2009Al复合材料固溶时效行为与性能研究

采用粉末冶金+热挤压法制备了纳米B4CP（n-B4CP）含量分别为2、4、6vol.% n-B4CP/2009Al复合材料,运用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和维氏硬度测量仪等方法研究了n-B4CP体积分数对n-B4CP/2009Al复合材料的微观组织、固溶时效行为及力学性能的影响。结果表明：复合材料经热挤压后组织致密均匀,n-B4CP体积分数的增加没有明显增加复合材料孔隙率;复合材料经495℃固溶1h处理后,仅存在少量析出相(Al2Cu)残留基体中;经固溶淬火后175℃人工时效14h后,2、4、6vol.% n-B4CP/2009Al复合材料同时达到峰值硬度,比基体合金达到峰值硬度的时间提前了2h;利用TEM观察时效后的微观组织表明,n-B4CP的加入抑制了基体中析出相（Al2Cu）的长大,大量细小析出相的存在使复合材料达到峰时效的时间提前;经最佳热处理工艺处理后的复合材料,随着n-B4CP体积分数的增加,复合材料的抗拉强度先上升后下降,屈服强度始终呈上升趋势,高体积分数的n-B4CP有效的起到钉扎位错的作用,但是高体积分数n-B4CP产生的颗粒团聚现象导致复合材料提早开裂。     

原位生成TiCx增强Ni合金复合材料的制备及力学性能研究

以Ti₃AlC₂和Ni合金粉为原料,采用原位热压烧结法制备了TiC_x/Ni合金复合材料。高温下Ni合金引起Ti₃AlC₂分解形成TiC_x,Al原子和少部分Ti原子从基体中脱离,并与Ni合金发生反应。添加20Vol%Ti₃AlC₂和40Vol%Ti₃AlC₂时,TiC_x中x的值分别为0.625和0.715。利用XRD、SEM和 EDS等表征方法对复合材料进行物相分析以及微观结构分析。研究表明,原位生成的TiC_x与Ni合金基体结合牢固,所制备的复合材料具有优异的力学性能,添加20%Ti₃AlC₂和40%Ti₃AlC₂时,复合材料的压缩强度分别达到了2.2 GPa和2.09 GPa,相应的压缩断裂应变分别为9.6%和8.5%。     

辅助磨擦对镍电铸层力学性能的影响

在磨擦辅助电铸镍过程中,通过改变游离微珠对电铸层表面的磨擦强弱,制备不同力学性能的镍电铸层。对所制备镍电铸层的表面形貌、织构等微观结构和显微硬度、抗拉强度及伸长率等性能进行测试和分析。结果表明:采用卧式放置的阴极能制得材料组织结构均匀的电铸层。且随着阴极表面线速度的提高,游离微珠对电铸层的整平作用和晶粒细化作用增强。在不同线速度下采用旋转阴极可以制备大范围力学性能的镍电铸层,其表面粗糙度为0.15~0.03μm、硬度为185~410HV、抗拉强度为525~1 020 MPa、伸长率为24%~4%。