上海大学硕士学位论文纳米晶体材料的尺度效应和变形机制姓名：郭辉申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：郭兴明20080101上海大学硕士学位论文摘要在过去的十几年中纳米晶体材料的力学性能研究一直是研究的热点 问题，而其中最引人关注的是尺度效应和变形机制的研究，尽管到目前为 止已经取得了不少的成果，但纳晶材料的尺度效应和变形机制仍然是一个 具有争议并需要继续系统深入研究的一个课题本文基于规则多面体的几何特点提出一针对晶粒形状为规则多面体 的多晶材料的晶粒、晶界和三叉晶界体积分数比较精确的计算方法，并且 采用复合材料混合率方法得到了一修正的H-P关系式以及弹性模量与晶粒 尺寸之间的关系式，从而从复合材料的角度解释了反H・P关系的出现；同 时，通过采用等应变假设和等应力假设两种情况研究了 H・P关系式、Coble 蠕变、晶界滑移三种变形机制的晶粒尺寸分布效应，结果表明晶粒尺寸分 布在不同的变形机理下对材料的力学性能的影响具有很大的不同，且采用 两种假设所得到的结果也存在很大的差别；由于随看晶粒尺寸的变小，存 在多种可能的变形机制之间的转变，本文还介绍了应变率控制的变形机制 的转变、与晶界有关的变形机制的转变、从位错塞积到扩散蠕变的转变三 种可能的变形机制的转变，其中重点研究了第三种转变情况，并计算岀其 临界尺寸的大小，计算结果表明临界尺寸是随温度的升高而增大，随应变 率的变快而减小，且细晶材料的屈服应力表现出明显的温度和应变率依赖 性，而粗晶材料却不太明显。
关键词：体积分数；晶粒尺寸分布效应；变形机制转变；临界尺寸v上海大学硕士学位论文ABSTRACTThe research in the mechanical properties of nanorystallinc materials has been a hot issue in the last decade, and the scale effect and deformation mechanisms are attracting most of attention from this research community. Although a great of progress is achieved so far in the scale effect and defbmiation mechanisms, but it is still a controversial subject and needs to be made an intensive and in-depth study.In this paper, due to the geometrical polyhedron characteristics of most crystal grain, an approach is proposed for a precise geometrical description and calculation of the volume fractions of grain interiors, grain boundaries and triple junctions, and by means of a "rule-of-mixturen model, a modified H・P relation and the relation between Young's modulus and grain size are obtained, which can interpret the inverse H・P relation phenomenon well. In addition, the iso-strain assumption and iso-stress assumption are adopted respectively to study the gain size distribution effect for H-P relation, Coble creep and grain boundary sliding. The results indicate that the grain size distribution influences the mechanical properties diflferentially under various deformation modes, and the grain size distribution effect when using iso-stress assumption is differ from that using iso-strain assumption. With the grain size decreasing, there exist various possible transitions of deformation modes. This paper will introduce three possible transition cases, i.e., the strain rate controlling mechanism transition, mechanism transition relate to grain boundary, and the transition from dislocation pile up mechanism transit to diffusional creep deformation mechanism. The third case is put more focus, the critical grain size is calculated which increases with higher temperature and decreases with faster strain rate, and temperature dependence and strain rate dependence of yield stress are very sensitive in fine-grained materials, while not quite sensitive in coarse-grained materials.Keywords： volume fraction; grain size distribution effect; deformationmechanisms transition; critical grain sizeVI上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意签名：聊烬 日期：却' 3本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容保密的论文在解密后应遵守此规定）签名:导师签名: 日期： 上海大学硕士学位论文第一章绪论1.1课题来源本课題源于上海大学研究生创新基金：纳米晶体材料的尺寸效应和变形机 理、上海市重点学科建设基金(Y0103)、国家自然科学基金(10472061)-1.2研究背景纳米材料又称为超微细材料，是由微小颗粒一绝大部分是晶体，特指晶粒尺 度为1-lOOmn,纳米概念是在1959年末，诺贝尔奖获得者理査德•费曼在一次演 讲中提出的，他预言，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的技术问 题，这是最早具有现在纳米槪念的思想1974年，日本学者Taniguchi提出 Nanotechnology—词1981年，德国科学家、纳米材料的先驱者Gleiter教授提出 纳米结构材料(nanostructured materials)的概念⑴，并在1984将6nm的Fe粉末压 制成纳米固体⑴，从而首次获得人工制备的纳米晶体材料，并且用x射线衍射、 Mossbauer谱和磁学测量了这种固体的内部结构，发现它们具有一种奇异的结构 类型。
在1986年，Gleiter等人⑴对纳米晶体材料的结构和性能做了首次的综合报 道，指岀了这种材料确实具有一种新型的固态结构，其性质与处于晶态或玻璃态 的同种材料的性质大不相同，如高的屈服和断裂强度、高延展性、高电阻率、髙 热膨胀系数以及室温超塑性，以及优异的疲劳和摩擦磨损特性等IGLu等⑷测量 TNi-P纳米合金的热膨胀系数、热容、电阻和热稳定性等，并与具有相同成分 的无序合金进行比较，结果表明两者的性质显著不同随后的大量研究发现纳米材料具有传统材料所不具备的一系列优异的力， 磁，电，光学和化学等宏观特性，从而使其作为一种新型材料在宇航，电子，冶 金，化工，生物，和医学等领域展现广阔的应用前景具体而言，纳米材料具有传统材料所不具有的四大效应；量子效应，小尺 度效应，表面效应，宏观量子隧道效应在力学方面，纳米晶体材料具有粗晶晶 体材料无法比拟优越的力学性能，如高的屈服强度和断裂强度、高延展性、室温 超塑性、以及优异的疲劳和摩擦磨损特性等例如纳米晶体铝（平均晶粒尺寸约 为53nm）的屈服强度和抗拉强度分别为同质粗晶的12~16倍和头6倍⑸1.3课题研究的目的和意义自从纳米材料问世以后，纳米晶体材料的力学性能研究一直是研究的热点 问题，而其中最令人关注的是尺度效应和变形机制的研究，尽管到目前为止已 经取得了不少的成果，但由于晶粒尺寸在纳米范围内存在多种变形机制，例如 已经通过实验和计算机模拟观察到了晶界滑移、扩散蠕变、晶界处发射位错、 李晶、晶粒旋转等变形方式，而这些变形机制受到许多因素的彩响，例如外部 因素加载方式、应变率、温度以及纳米晶体材料自身的一些因素如三叉晶和晶 界及其体积分数的变化、晶粒尺寸及其分布、杂质、空隙率等，而这些因素对 纳晶材料的变形机制和力学性能的影响，以及不同变形机制之间的关系仍然是 一个具有争议并需要继续系统深入研究的一个课题。
本文主要研究纳晶材料屈服应力的尺度效应和变形机制的转变两方面内容， 其中包括三叉晶界和晶界的体积分数、晶粒尺寸分布、温度和应变率对屈服应力 的具体影响希望通过本文研究结果可以更好地解释反H-P效应，为控制纳米晶 体材料的变形机制、提髙材料的力学性能提供一些参考，从而达到更加科学合理 地使用纳米晶体材料，并对纳米晶体材料的制备和设计等提出一些科学的建议1.4国内外研究概况1.4.1微结构纳晶材料的微观结构直接彩响到材料的各种性质，因此，对纳米材料的原子 尺寸和纳米尺度微观结构的了解是很重要的运用离分辨率电子显微镜、小角x射线和中子衍射对纳米晶体材料的显微结 构做了大量的研究（3】，结果表明，纳米晶体材料由两种组元组成：（i）晶粒组元, 该组元中所有原子都位于晶粒内的格点上，其近邻构型对应晶格构型，具有规则 排列；（ii）界面组元（通常简称为界面，interface）,所有原子都位于晶粒之间 的界面上，其近邻构型不同于晶格构型，呈缺陷结构，发生了畸变纳米晶体材 料界面的原子结构取决于相邻晶体的相对取向及边界的角度如果晶体取向是随 机的，则纳米晶体材料的所有晶粒间界将具有不同的原子结构，这些结构可由不 同的原子间距加以区分。
如图1・1所示，图中白色原子区域代表界面，黑色原子 区域代表晶粒图1.1界面示意图，图中白色原子区域为界面，黑色原子区域为晶粒通常又可将界面分为三叉晶界(triplejun。