小尺寸金属纳米线力学行为的原位电镜研究进展

金属纳米线在信息采集、存储以及超灵敏传感器等方面被广泛应用。在实际应用中,金属纳米线常处于应力状态下,对关键器件的性能稳定性有直接影响。原位研究金属纳米线在应力作用下的塑性变形原子机制是确保重要元器件在复杂环境下依旧保持稳定的物理性能输出的实验依据。本文介绍了纳米力学原位实验技术的研究进展和纳米材料力学性能曲线的测量策略;在此基础上,从材料的尺寸效应出发,总结了不同直径尺寸金属纳米线的位错、孪晶、表面原子扩散等变形机制与纳米线力学性能之间的相关性;展望了小尺寸金属纳米线原位纳米力学技术和原位实验研究的发展方向。

原子尺度分辨的晶界力学行为TEM原位研究

晶界是多晶材料体系的特征结构之一,对材料的力学等性能具有重要影响。揭示晶界的原子结构及其在外力作用下的演化规律是材料力学性能优化的重要科学基础。当多晶材料的晶粒尺寸减小至纳米尺度后,晶界原子比例的急剧增加导致塑性变形区域主要发生在只有几个原子层厚度的晶界区域。此时,原子尺度分辨率下的原位动态研究成为揭示晶界塑性变形原子机理的必要手段。该文主要介绍本研究团队近年来在晶界变形原子机制研究方法上的主要进展;利用TEM原位研究技术,在金属纳米晶中的晶粒内部位错行为,晶界处的塑性行为研究中的主要科学发现;以及研究者在晶界发射位错、孪晶形核机理及晶界转动的原子尺度机制、晶粒尺寸对塑性行为的影响等取得的主要结论。

孪晶结构Pt纳米晶体塑性变形行为的原位原子尺度观察

孪晶结构金属材料具有高的强度和韧性,其变形机制受到研究者的广泛关注。然而之前大多数研究主要针对低层错能的金属,对于高层错能的金属变形机制研究相对较少。本文以高层错能金属Pt为研究对象,利用原创的双金属片拉伸装置,在原子尺度下原位研究了具有孪晶结构的Pt纳米晶体的塑性变形机制。实验发现在剪切应变作用下,其塑性变形主要方式是偏位错行为导致的孪晶界迁移。这些偏位错在孪晶界-表面交界处形核,并沿着平行于孪晶界方向滑移,导致孪晶界迁移。随着切应变的增加,这种偏位错行为重复发生,导致孪晶界逐层迁移,孪晶厚度逐层减小。

AuAg纳米晶薄膜裂纹扩展的原位原子尺度观察

本文利用原位实验技术,在透射电镜中对AuAg纳米晶薄膜裂纹扩展以及裂纹前端塑性机制进行了原位原子尺度观察。原位观察发现,在初期,裂纹在晶界处形核并沿着晶界扩展,在裂纹前端晶粒内部有形变孪晶的形核与长大。随着应变的增加,逐渐转为穿晶断裂,此时晶粒内的生长孪晶及变形孪晶均展现出良好的塑性变形能力。本实验对人们理解面心立方合金纳米晶材料的裂纹扩展机制具有一定借鉴意义。

AuAg合金纳米晶去孪晶机制的原位原子尺度研究

去孪晶是影响金属力学性能的重要塑性变形机制.本文对平均晶粒尺寸为15 nm的AuAg合金纳米晶进行了原位拉伸试验,首次在原子尺度上研究了合金纳米晶的去孪晶机制.结果表明合金纳米晶中存在三种去孪晶机制,第一种是晶界发生相向迁移的结果,这在小尺寸晶粒中更容易发生;第二种是通过孪晶逐层减薄和非共格孪晶界迁移相结合的方式进行,在去孪晶过程中,去孪晶速率会由于位错与共格孪晶界相互作用的影响而减缓,这仅在以往的经典建模中预测到;第三种是由非共格孪晶界迁移控制,这是多个偏位错集体滑移的结果.前两种类型的去孪晶过程在过去很少被报道,这表明固溶体合金纳米晶中的去孪晶机制不同于纯金属.