揭示三叉晶界线影响材料性能在粗晶纳米多孔金中可测得“表面效应”

2021-08-03 11:30:34

近日,中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员金海军团队在电化学环境下进行原位压缩实验,比较纳米晶和粗晶纳米多孔金属的力学行为,成功分离出纳米金属强度的表面—晶界截交线(STJ)效应,并确定其开始发挥作用的临界尺寸。相关成果日前发表于《物理评论快报》。

作为两种面缺陷间的几何交线,STJ是多晶体材料表面的常见线缺陷。在块体材料中,位于STJ的原子体积分量极低,其对材料整体强度的贡献几乎可以忽略。随着材料尺寸降低至亚微米甚至纳米尺度,STJ原子体积分量急剧增加,但这一特殊线缺陷是否以及如何影响材料力学性能尚无定论。如何将STJ对材料强度的贡献从表面及晶界效应中分离也是一个巨大挑战。

该团队的研究采用两种特征样品,一种是含有大量表面、晶界和STJ的纳米晶纳米多孔金样品;另一种是含有大量表面,但晶界与STJ极少的粗晶纳米多孔金样品。由于晶界对电化学修饰不敏感,通过电化学控制表面状态并观察其对强度的影响,可在纳米晶纳米多孔金中测得“STJ效应+表面效应”,即STJ与表面对强度的共同作用;作为参照实验,在粗晶纳米多孔金中可测得“表面效应”。

比较“STJ效应+表面效应”与“表面效应”,研究团队发现两者在百纳米以上基本重合,而在百纳米以下显著分离。这说明在约100纳米以下,STJ开始对材料强度发挥作用。透射电镜等实验表明,STJ有可能作为位错的优先形核位置影响纳米材料变形行为与力学性能。

本研究表明,STJ以及更广义上的三叉晶界线并非简单的面缺陷间几何交线,而是影响材料性能的重要结构参量。

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