小尺度材料的疲劳研究进展

小尺度材料广泛应用于微电子机械系统及大规模集成电路等微／纳米系统中．由于这些材料的几何尺度和微观结构尺度均在微米至纳米范围,它们对位错行为的约束作用以及表面和界面的影响导致了其疲劳行为与块体材料不同．本文就近年来国内外开展的有关小尺度材料(如薄膜材料)疲劳实验方法、循环形变行为、疲劳裂纹的萌生以及扩展行为进行了综述,对相关的疲劳尺寸效应及机理进行了探讨,并对今后这一领域的研究前景及方向进行了展望．     

层错能对纳米晶Cu-Al合金微观结构、拉伸及疲劳性能的影响

总结了层错能对Cu-Al纳米晶合金微观结构、拉伸性能和疲劳行为的影响.研究表明:随着层错能的降低,材料微观结构的演化逐步从位错分割机制主导转变为孪晶碎化机制主导,导致其平均晶粒尺寸逐步减小,而其均匀微观结构的形成经历先难后易的转变.同时,发现Cu-Al纳米晶合金的强度随层错能的降低得到明显改善,其均匀延伸率存在一最优值,使其均匀延伸率最佳.对不同晶粒尺寸的样品进行力学实验证实,随层错能降低,其强塑性匹配得到明显提升.在循环变形过程中,随层错能降低,晶粒长大导致的微观组织不稳定性和高度应变局部化的剪切带均有明显改善.材料的疲劳损伤微观机制随之从晶界迁移主导的晶粒长大逐步转变为其它晶界行为,如原子重组、晶界滑动和转动等.纳米材料的综合疲劳性能(低周和高周疲劳)随层错能的降低呈现同步提高的趋势.     

亚微米厚铜薄膜的微观结构及疲劳损伤行为

在具有高弹性和力学稳定性的柔性基底上,用磁控溅射系统制备了亚微米厚铜薄膜,利用透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）电子背散射成像及X射线衍射（XRD）对铜薄膜进行了微观结构表征．采用恒载荷幅控制研究了亚微米厚度铜薄膜的疲劳损伤行为．结果表明：退火后的铜薄膜呈现强烈的（111）织构,薄膜中存在大量的微米、纳米尺度孪晶．在恒载荷幅作用下,亚微米厚的薄膜不易产生疲劳挤出和微裂纹,疲劳裂纹容易在界面处萌生,孪晶附近的位错塞积及界面附近变形的不协调性导致了疲劳裂纹的产生．而亚微米厚铜薄膜疲劳强度的提高来源于薄膜厚度、晶粒尺寸和孪晶尺寸三个微尺度的约束．     

金属纳米复合材料的界面和尺度效应

在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料,并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控,是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。阐述金属纳米材料界面、尺度与材料塑变、强化关系的主要研究进展,重点介绍宏观尺寸制备金属纳米复合材料、纳米尺度下经典Hall-Petch关系和复合材料混合定律的适用性、界面特征和尺度效应对材料微观结构、力学性能以及物理特性等的影响,指出面向应用的高性能金属纳米复合材料的发展趋势。     

不锈钢管道焊缝金属疲劳短裂纹行为的实验研究Ⅰ.材料微观结构和研究方法

用金相、复型技术和硬度实验测试了1Crl8Ni9Ti不锈钢焊缝金属试样表面的微观结构组成.结果表明:奥氏体基体与富δ铁素体-带状结构组成的柱状晶是焊缝材料的微观结构特征,相邻富δ铁素体带间距离(约40 μm)是这一结构的特征参量.试样表面的微观结构依相对焊缝柱状晶取向的不同而不同.考虑疲劳损伤的局部性和区别试样表面不同尺度、位置微裂纹对疲劳损伤贡献的差异,提出了以"有效短裂纹准则"为核心的疲劳短裂纹行为研究方法.     

纳米晶Ni疲劳行为的实验研究

系统研究了纳米晶Ni与粗晶Ni的疲劳行为. 通过疲劳实验获得了这2种材料的疲劳应力--寿命曲线, 并采用AFM对纳米晶Ni样品表面进行观察以研究其裂纹萌生的微观机制, 利用纳米压痕仪对疲劳实验前后样品的力学性能和显微组织变化进行了研究. 结果表明, 纳米晶Ni具有比粗晶Ni更高的疲劳极限. AFM观察表明,纳米晶疲劳后样品表面出现平均尺寸为73 nm的胞状起伏, 疲劳后样品的晶粒尺寸未发生明显改变. 压痕硬度结果表明, 疲劳过程材料的力学性能也未发生明显变化.     

纳米金属多层膜的变形与断裂行为及其尺寸效应

如何有效地协调和平衡材料强度与韧性之间的矛盾,大幅提高结构材料的损伤容限,是设计微观结构敏感性材料的巨大挑战.纳米金属多层膜材料由于其灵活可调控的微观结构特征以及优异的力学性能已成为目前高性能微元器件以及互连结构的核心材料体系,其服役过程中的变形损伤与断裂是导致系统失效的关键因素.本文结合当前国内外有关金属多层膜塑性变形与断裂行为研究的最新进展,阐述了金属多层膜(微柱体)微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,揭示了金属多层膜(微柱体)变形与断裂模式的内在规律及机制,并对金属多层膜研究的发展趋势进行了展望.     

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。     

表面科学与工程在纳米技术发展与应用中的直接作用

表面科学与工程在纳米技术的发展与应用中发挥着特殊的作用，尤其在纳米尺度材料的制备和纳米制造等领域。在纳米材料领域，纳米晶块材料的界面问题和纳米尺度的分子自组装的表面与界面问题是极富挑战性的前沿工作。在纳米制造领域，微机械部件的微纳米尺度的操作手设计和运动副表面的微观失效、摩擦磨损和润滑等问题也将开辟表面科学与工程新的研究领域。     

Cu系纳米金属多层膜微柱体的形变与损伤及其尺寸效应

纳米金属多层膜材料已成为目前高性能微元器件以及互连结构的核心材料体系,其服役过程中的变形损伤与断裂是导致系统失效的关键因素.以本课题组近年来的研究结果为基础,结合当前国内外有关金属多层膜微柱体塑性变形行为研究的最新进展,阐述了金属多层膜微柱体微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,揭示了金属多层膜微柱体变形模式与损伤的内在规律,归纳了晶体/晶体与晶体/非晶两类层状结构材料加工硬化/软化行为的微观机理,并对纳米金属多层膜研究的发展趋势进行了展望.     

“中国激光微纳加工技术大会”在苏州圆满召开

正激光微纳加工是通过激光与材料相互作用,改变材料的物态和性质,实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性。由于激光微纳制造在能量密度、作用的空间和时间尺度、制造体吸收能量的可控尺度都可分别趋于极端,而使制造过程所利用的物理效应、作用机理完全不同于传统制     

不锈钢管道焊缝金属疲劳短裂纹行为的实验研究Ⅰ.材料微观结构和？…

用金相、复型技术和硬度实验测试了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢焊缝金属试样表面的微观结构组成。结果表明：奥氏体基体与富δ铁素体－带状结构组成的柱状晶是焊缝材料的微观结构特征,相邻富δ铁素体带间距离（约４０μｍ）是这一结构的特征参量。试样表面的微观结构依相对焊缝柱状晶取向的不同而不同。考虑疲劳损伤的局部性和区别试样表面不同尺度、位置微裂纹对疲劳损伤贡献的差异,提出了以“有效短裂纹准则”为核心的疲劳短裂纹     

γ-TiAl基合金弹性和塑性尺度效应所对应内在特征尺寸的关系

将近片层γ-TiAl基合金视为以等轴γ颗粒为夹杂、多孪晶PST单晶组分为微极基体的复合材料,运用微极理论研究与其等效弹性性能尺度效应对应的材料特征尺度lm和塑性流动行为尺度效应对应的材料特征尺度lp之间的关联。结果表明:相对于硬相的PST组分基体,软相等轴γ颗粒夹杂直径d与微极基体的材料内在的弹性特征尺度lm和塑性特征尺度lp相当时,夹杂尺寸将对合金材料的等效弹性模量和塑性流动行为产生一定的影响;合金材料的弹性模量随着夹杂颗粒尺寸的减小而增大,夹杂颗粒越小,合金材料的塑性流动硬化特征越明显。γ-TiAl基合金中与弹性性能尺度相对应的材料特征尺度lm与塑性行为尺度效应所对应的内在材料特征尺度lp相等,并与γ-Al合金复合材料基体组分中PST颗粒的尺寸大小一致。     

微/纳米尺度构件力学性能测试技术研究

微纳米尺度构件作为微纳米机电系统的重要组成部分,其力学性能是设计、制造微纳米机电系统的重要参数,对微纳米机电系统的使用性能、可靠性、服役寿命等均会产生显著的影响.由于受到量子效应、尺度效应、表面效应的影响,传统的测试技术已无法满足需要.结合国内外微纳米尺度构件力学性能测试的最新动态,介绍了纳米压入法、鼓泡法、微拉伸法、微梁弯曲法等测试方法的机理、应用及存在的主要问题.最后指出了微尺度力学性能测试的发展方向.     

纳米多晶金刚石微结构及塑性形变机制的研究进展

纳米多晶金刚石是指晶粒尺寸小于100 nm的金刚石晶粒直接结合而形成的多晶材料。石墨经高温高压直接转变合成的纳米多晶金刚石的硬度达120~145 GPa,洋葱碳直接转变合成的金刚石晶粒内含高密度孪晶,此纳米孪晶金刚石硬度达200 GPa,远超单晶金刚石的硬度。材料优良的性能源于其微观结构,揭示其塑性形变机制将利于更高性能纳米超硬材料的设计与合成。本文概述了纳米多晶金刚石微观结构及其塑性形变机制的国内外研究现状,重点介绍和评价了纳米多晶金刚石塑性形变机制的实验及理论研究,为纳米多晶金刚石材料的进一步研究和应用提供参考。      

材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展

精密机械加工过程中,利用Rehbinder效应对工件表面特性的影响,可以更好地控制零件表面质量。不同工程材料的Rehbinder效应的微观表现形式有所差异,但宏观结果都是降低工件表面硬度,使材料去除过程更容易进行。回顾了Rehbinder效应概念的提出和发展过程并对其内涵和应用范围进行了阐述,为加工过程中的材料去除方法提供思路,对材料表面完整性的形成具有指导意义。列举了近年来科研人员对Rehbinder效应的相关研究成果,分析对比其在硬脆材料和塑性材料加工过程中的表现形式和微观作用机理,总结Rehbinder效应的影响因素,如极性分子的吸附活性、工件材料的晶粒尺寸等。揭示了Rehbinder效应中极性分子的吸附作用,以及吸附作用后的扩散、位错和间隙三种促进机制,并综述离散元法、有限元法和分子动力学等数值仿真方法对宏观尺度和微观尺度Rehbinder效应机理的研究。Rehbinder效应可以看作是一种对加工表面的改性机制,研究Rehbinder效应作用下的表面活性剂与被加工表面的匹配机制是提高材料表面完整性的关键,对推动精密制造工艺的发展有重要意义。     

脆性材料磨粒加工的纳米尺度去除机理

以共价键或离子键结合的脆性单晶、多晶和光学玻璃是能源、通信、交通和医疗领域新兴微电子和光电器件的核心材料。为满足高性能器件的制造需求,脆性材料通常需要经过磨削、研磨、抛光等超精密磨粒加工,获得具有原子级光滑的表面、近无损伤的亚表面和微米甚至纳米级的加工精度。优化磨粒加工工艺不仅可以有效地提高加工效率,降低制造成本,还能够延长脆性材料元器件的服役寿命,但开发高效率、低损伤超精密磨粒加工技术需深入理解脆性材料纳米尺度的去除机理。本文基于划擦力学原理,揭示脆性材料纳米尺度磨粒加工去除的本质,阐明磨粒加工过程中脆性材料脆性–塑性转变去除的基本原理,概述单磨粒纳米划擦脆性材料的形变和去除机制,以及磨粒加工过程中脆性材料的去除机理及材料微观结构对其局部变形及后续去除的影响规律,提出实现脆性材料高效延性加工的控制策略,有助于推动脆性材料超精密磨粒加工技术的进一步发展。      

钨表面形貌控制及其在循环热载荷作用下的热疲劳性能

钨作为聚变装置中的壁材料在各种循环热载荷作用下的热疲劳行为是一个重要的问题。采用电子回旋共振(ECR)等离子体系统在多晶钨表面进行形貌控制实验,然后采用电子束对抛光和具有一定表面形貌的样品开展循环热载荷实验。结果表明,表面形貌对在循环热载荷下发生的循环塑性变形造成的损伤特征影响很小,在300次循环热载荷下某些晶粒中形成了微裂纹及挤出片结构,它们在不同晶粒中按着某一特定的方向平行排列。此外,在不同条件下通过等离子体刻蚀在钨表面制备了不同的三棱锥状和均匀的纳米结构。对损伤区域的截面进行了分析并给出了在循环热载荷下这种结构形成过程的示意图。     

TC系列钛合金锻造及组织性能调控工艺研究进展

TC系列钛合金是航空航天飞机关键零部件制造的重要材料。主要综述了近年来笔者团队在TC系列典型钛合金的高温流变行为与本构描述、热变形的微观组织/织构演变规律、热加工工艺窗口的优化及微观组织的调优技术方面的研究进展。结果表明:初始组织对TC系列钛合金流变行为及变形机制的影响显著;TC系列钛合金的高温流变行为表征模型主要有唯象学本构模型、基于物理机制本构模型和机器学习模型;双道次热压缩能够提高TC系列钛合金的α相球化率和β相再结晶程度;通过优化TC系列钛合金的热成形加工工艺,能够有效地避免变形出现流动失稳与成形缺陷;TC系列钛合金热成形过程中微观组织演变的多尺度模拟、热成形-固溶处理-时效处理对组织性能的综合影响机制及规律有待深入研究。     

表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展

多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导,从而引起材料的性能下降,使用寿命缩短.受生物材料的梯度结构启发,近年来开发了多种表面纳米化技术,成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构,强化和保护了材料表面,有效地解决了上述问题.结合国内外表面纳米化的研究结果,综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展.首先,介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展.其次,对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳,并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述.随后,总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响.最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战.