眾所周知，室溫下許多微米和納米級金屬晶體呈現出“越小越強”的趨勢，其強度接近理想需求樣品。如何在不影響高強度的情況下控制晶粒的破裂，以實現平穩，可控的塑性流動，是納米力學工程中的一個挑戰。從理論上講，加熱是一種通用的方法，可以在包括微米級和納米級在內的所有尺寸范圍內提高材料的延展性。為了確定工藝參數需要參考變形機制圖（DMM），DMM能夠描繪溫度，應力和晶粒尺寸在不同組合下的主要變形機制。但是，現有的DMM不適用于尺寸小的材料。對于這些材料，盡管有各種應用迫切需要，但還沒有這種DMM。

西安交通大學單智偉教授團隊和美國麻省理工學院李巨教授團隊等人首次通過實驗構建了亞微米級純鋁的DMM。構造的兩種DMM分別為應力-溫度和應力-試樣尺寸關系。該DMM可用于識別主要的變形機制、機制轉變的臨界條件、以及在特定溫度和應變率下材料的最大尺寸。相關論文以題為“Deformation mechanism maps for sub-micron sized aluminum”近期發表在Acta Materialia。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420301178

研究人員首先討論了退火態純鋁納米柱的壓縮過程。研究發現當溫度低于臨界設定溫度（Tc=275℃）時，退火的亞微米晶粒表現出隨機變形行為。應力-應變曲線從彈性變形的直線部分開始，然后應變突然呈爆發狀態。在整個彈性階段，即使高應力下，材料仍保持原始狀態，沒有任何位錯成核。當溫度高于臨界設定溫度時，應力-應變曲線顯示出三個不同的階段，即彈性階段，擴散可塑性階段和位移可塑性階段。

圖1 在較低溫度和較大尺寸下的典型隨機型變形過程

圖2 典型塑性變形過程

這篇文獻也是微柱壓縮實驗 →改寫教科書！燕大-浙大在位錯滑移方面取得重要發現！

研究人員選擇不同溫度間隔下在較小尺寸和一定應變率范圍內的納米柱進行壓縮并繪制應力-溫度變形機理圖。當設定溫度大于275℃時，應力-應變曲線有兩個特征應力值，即線性部分結束時的屈服應力和應變破裂開始的破裂應力。這兩個應力值均隨著溫度的升高而減小。在應力-溫度變形機理圖中，存在三個主要變形機制不同的區域，即彈性區，擴散可塑性區和位移可塑性區。位移可塑性區域的下線由各種溫度下的破裂應力值確定，而彈性區和擴散塑性區域之間的線由各種溫度下的屈服應力值確定。該機理圖用于區分主要的變形機制，并預測材料經特定溫度-應力組合時變形模式的轉變。

圖3 應力-溫度變形機理圖

研究人員使用納米柱直徑與應力為軸構造了另一種應力-試樣尺寸變形機理圖。其中也包含由屈服應力線和擴散/位移過渡線分隔的三個區域。該圖類似于應力-溫度機理圖，存在變形模式轉變的臨界大小，經實驗確定為400nm。當試樣尺寸小于400nm時，屈服強度隨尺寸的減小而下降，這是由擴散塑性控制的。當尺寸大于400nm時，屈服強度隨尺寸的減小而上升，此階段由位移可塑性控制的。

圖4 固定溫度下的應力-應變曲線和應力-試樣尺寸變形機理圖

綜上所述，研究人員在不同溫度下對不同直徑的單晶鋁柱進行了系統的原位定量力學測試，探討了變形機理的轉變并構造了兩種變形機理圖。這兩個新的機理圖可用于識別主要的變形機制，機制的轉變條件以及在特定溫度和應變率下的最大試樣尺寸。該機理圖為后續研究中工藝參數的選取提供了一定參考。（文：破風）

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