纳米金属中空位与扩散研究进展

上一篇 / 下一篇 2011-05-24 16:23:44

空位是一种晶体点缺陷，对晶体的塑性变形、力学性能和扩散行为有重要影响。晶体中原子存在能量起伏，获得较大能量的原子克服周围原子的束缚作用，从平衡位置迁移到晶体表面或点阵间隙中，就在原来的位置形成空位。因此，空位是热力学稳定的晶体缺陷，平衡空位浓度在接近熔点时的可高达10-4。塑性变形、高能粒子辐照和淬火都会在金属内部形成远超过平衡浓度的过饱和空位。

空位对纳米晶体的塑性变形和力学性能产生什么影响呢？纳米晶体经强烈塑性变形后，利用电阻法和热分析法等，测得室温空位浓度高达10-4。然而，如此高密度的空位在纳米晶体中究竟是以什么形式存在？其尺度、密度和分布是怎样的？更关心纳米晶体中空位与位错的交互作用机制及其对强度的贡献等基础科学问题。利用电子显微和分子动力学模拟研究了经变形细化的纳米铝中的空位。

利用弱束暗场成像结合高分辨点阵成像，观察到纳米铝中的空位是以面缺陷、即层错环的形式存在，“原位”观察到层错环可通过吸收周围的空位而伸长或放弃自身的空位而缩小，证实其为过饱和空位形成的Frank层错环，一个直径15 nm的层错环有~1500个空位。层错环分布在{111}滑移面，统计得出其尺度范围2-18 nm，密度与晶粒尺度相关，在10-3至10-4量级。MD模拟展现了层错环对滑移位错的强烈钉扎效应，位错是在更高的应力下交滑移到其它滑移面来绕过层错环，并在滑移路径上形成不可动的割阶。能量分析表明在层错环大于6 nm的临界尺寸时，滑移位错必须进行交滑移。将层错环视为不可变形粒子，粗略估计其对强度的贡献为260 MPa。

进而实验和理论研究了纳米晶体中变形诱导的扩散行为。在亚微米晶粒尺度，晶界体积分数显著增加，晶界构成扩散“短程通道”，高能非平衡的变形态晶界有利于扩散，因而晶界扩散是主要扩散机制。同时，不断形成的大量晶体缺陷、如位错和层错亦促进扩散，首次实验证实层错的偏位错核心可实现溶质原子管道扩散，位错在其应变场中以“溶质泵通道”机制可拖曳一条溶质带迁移。在纳米尺度(如10 nm)，三叉晶界的体积分数显著增加，扩散由晶界扩散和三叉晶界扩散控制。同时，高密度的可动空位、应变势梯度和应力均促进扩散动力学过程，给出扩散物理模型。基于以上研究，我们提出一种新的“原位合金化”方法，利用塑性变形诱导扩散，在金属钴和锆基体表面制备出纳米金属间化合物。