納米材料的力學(xué)性能

1、3.1納米材料的力學(xué)性能3.1.1納米材料的晶界與缺陷3.1.2納米材料力學(xué)性能概述3.1.3納米金屬的強(qiáng)度與塑性 納米金屬的強(qiáng)度 納米金屬的塑性3.1.4納米復(fù)合材料的力學(xué)性能3.1.5納米材料的蠕變與超塑性 納米材料的蠕變 納米材料的超塑性3.1.13.1.1納米材料的晶界及缺陷納米材料的晶界及缺陷納米材料的晶界及缺陷 納米固體材料是由顆?；蚓Я３叽鐬?-100nm的粒子凝聚而成的三維塊體。納米固體材料的基本構(gòu)成是納米微粒加上它們之間的界面。物理上的界面不只是指一個(gè)幾何分界面，而是指一個(gè)薄層，這種分界的表面（界面）具有和它兩邊基體不同的特殊性質(zhì)。因?yàn)槲矬w界面原子和內(nèi)部原子受到的作用力不同，

2、它們的能量狀態(tài)也就不一樣，這是一切界面現(xiàn)象存在的原因。 45 33333443613348.8%41253tddddCdd tttVCVSV 23488ttCSmcm 納米材料晶界結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)納米材料晶界結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 納米材料中晶界占有很大的體積分?jǐn)?shù)，這是評(píng)定納米材料的一個(gè)重要參數(shù)。 :晶界的厚度，通常包括23個(gè)原子間距。 ：晶粒的直徑 ：晶界體積分?jǐn)?shù) 假設(shè)晶粒的平均尺寸為5nm，晶界的厚度為1nm，則由上式可計(jì)算出晶界所占的體積分?jǐn)?shù)為50。)(3dfdf晶粒/nm晶界厚度/nm晶粒個(gè)數(shù)/222m3晶界體積分?jǐn)?shù)/20000.610.09200.61069.0100.60.810718.040.61

3、.310842.620.610980.5晶粒直徑與晶界體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系晶界在常規(guī)粗晶材料中僅僅是一種面缺陷。對(duì)納米材料來(lái)說(shuō)：晶界不僅僅是一種缺陷，更重要的是構(gòu)成納米材料的一個(gè)組元，即晶界組元（Grain Boundary Component）。已經(jīng)成為納米固體材料的基本構(gòu)成之一，并且影響到納米固體材料所表現(xiàn)出的特殊性能！ 晶界厚度與晶界體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系相同晶粒尺寸時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致晶界厚度不同。bcc結(jié)構(gòu)晶界厚度：1nm左右fcc結(jié)構(gòu)晶界厚度：0.5nm左右Bcc結(jié)構(gòu)晶界體積分?jǐn)?shù)蒙特卡洛模擬曲線fcc結(jié)構(gòu)晶界體積分?jǐn)?shù)蒙特卡洛模擬曲線1、對(duì)金屬和合金納米材料來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)不同，使得晶界厚度不同。2、

4、對(duì)納米復(fù)合陶瓷來(lái)說(shuō)，合成方法不同，晶界厚度變化很大。9類(lèi)氣態(tài)模型類(lèi)氣態(tài)模型晶界的原子結(jié)構(gòu)-一直存在爭(zhēng)論：該模型與大量事實(shí)有出入，至1990年以來(lái)文獻(xiàn)上不再引用該模型。10 短程有序模型短程有序模型 認(rèn)為納米材料的界面排列是認(rèn)為納米材料的界面排列是有序有序的的, ,與粗晶結(jié)與粗晶結(jié)構(gòu)無(wú)區(qū)別。構(gòu)無(wú)區(qū)別。 但進(jìn)一步研究表明，界面組元的原子排列的但進(jìn)一步研究表明，界面組元的原子排列的有序化是有序化是局域性局域性的，而且，這種有序排列是的，而且，這種有序排列是有有條件的條件的，主要取決于界面的，主要取決于界面的原子間距原子間距r ra a和和顆粒大顆粒大小小d d，當(dāng)，當(dāng)2adr 11界面可變結(jié)構(gòu)模型界

5、面可變結(jié)構(gòu)模型也稱(chēng)結(jié)構(gòu)特征分布模型。也稱(chēng)結(jié)構(gòu)特征分布模型。 強(qiáng)調(diào)界面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)調(diào)界面結(jié)構(gòu)的多樣性多樣性，即納米材料的界，即納米材料的界面不是單一的、同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多面不是單一的、同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多種多樣的，因此，不能用一種簡(jiǎn)單的模型概種多樣的，因此，不能用一種簡(jiǎn)單的模型概括所有的界面組元的特征。括所有的界面組元的特征。界面缺陷態(tài)模型界面缺陷態(tài)模型 其中心思想是界面包含大量其中心思想是界面包含大量缺陷缺陷，其中，其中三三叉晶界叉晶界對(duì)界面性質(zhì)的影響起關(guān)鍵作用。對(duì)界面性質(zhì)的影響起關(guān)鍵作用。納米Pd薄膜的高分辨透射電鏡圖像有人在同一個(gè)Pd試樣中用高分辨率透射電鏡既觀察到有序的界面，如圖中

6、A、B晶粒之間的晶界；也觀察到原子排列十分混亂的界面，如圖中D、E晶粒之間的晶界。因此，要用一種模型統(tǒng)一納米材料晶界的原子結(jié)構(gòu)是十分困難的。 要用一種模型統(tǒng)一納米材料晶界的原子結(jié)構(gòu)是十分困難的。盡管如此，還是可以認(rèn)為納米材料的晶界與普通粗晶的晶界結(jié)構(gòu)無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。納米材料晶界的原子結(jié)構(gòu)平面示意圖可用左圖來(lái)表示，圖中實(shí)心圖表示晶粒內(nèi)的原子，空心圖表明晶界處的原子。 納米材料晶界平面示意圖納米晶界結(jié)構(gòu)特點(diǎn)納米晶界結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 盡管納米晶的晶界原子結(jié)構(gòu)與粗晶的無(wú)本質(zhì)區(qū)別，然而它們還具有以下不同于粗晶晶界結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：晶界具有大量未被原子占據(jù)的空間或過(guò)剩體積（Excess Volume）；低的配位數(shù)和密度

7、；大的原子均方間距；存在三叉晶界；晶界相對(duì)配位數(shù)與原子間距的關(guān)系晶界相對(duì)配位數(shù)與原子間距的關(guān)系在納米晶材料的晶界上有大量的未被原子占據(jù)的位置或空間納米晶晶界上的原子具有大的原子均方間距和低的配位數(shù)。晶界原子配位數(shù)/單晶原子配位數(shù)=相對(duì)配位數(shù) 晶晶間原子間距越大，配位數(shù)越低。間原子間距越大，配位數(shù)越低。納米晶材料晶間原子的熱振動(dòng)要大于粗晶的晶間原子的熱振動(dòng)，例如由8.3nm晶粒組成的Pd塊體在室溫時(shí)晶間原子熱振動(dòng)偏離點(diǎn)陣位置平均為3.10.1，而粗晶材料為2.32.7。因此，納米晶晶界處的密度較普通粗晶晶界的密度有較明顯的降低。16計(jì)算表明：當(dāng)晶粒直徑從計(jì)算表明：當(dāng)晶粒直徑從100 nm100

8、nm減小到減小到2 nm2 nm時(shí)，三叉時(shí)，三叉晶界體積分?jǐn)?shù)增加晶界體積分?jǐn)?shù)增加3 3個(gè)數(shù)量個(gè)數(shù)量級(jí)，而晶界體積分?jǐn)?shù)僅增加級(jí)，而晶界體積分?jǐn)?shù)僅增加1 1個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。晶粒直徑對(duì)晶間、晶界、和三叉晶界體積分?jǐn)?shù)的影響晶粒直徑對(duì)晶間、晶界、和三叉晶界體積分?jǐn)?shù)的影響 圖中晶界厚度為1nm，晶間區(qū)為晶界和三叉晶界區(qū)之和。 左圖表明，當(dāng)晶粒小于2nm時(shí)，三叉晶界的體積分?jǐn)?shù)已超過(guò)界面的體積分?jǐn)?shù)。由于三叉晶界處的原子擴(kuò)散更快，運(yùn)動(dòng)性更好。 因此，納米材料中大量存在的三叉晶界將對(duì)材料的性能產(chǎn)生很大的影響。18納米材料中的結(jié)構(gòu)缺陷納米材料中的結(jié)構(gòu)缺陷而納米固體材料中，存在：而納米固體材料中，存在：F界面原子

9、排列混亂；界面原子排列混亂；F界面原子配位不全；界面原子配位不全；F納米粉體壓制成塊體的過(guò)程中，晶格常數(shù)發(fā)生變化。納米粉體壓制成塊體的過(guò)程中，晶格常數(shù)發(fā)生變化。納米固體材料的結(jié)構(gòu)缺陷有三種類(lèi)型：點(diǎn)缺陷（空位、空位對(duì)、空位團(tuán)、溶質(zhì)原子、雜質(zhì)原子等）、屬于0維缺陷。線缺陷（刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、混合型位錯(cuò)等）、屬于1維缺陷面缺陷（層錯(cuò)、相界、晶界、三叉晶界、孿晶界等）、屬于2維缺陷。缺陷是實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域。納米材料結(jié)構(gòu)中平移周期遭到很大破壞，界面原子排列比較混亂，界面中原子配位數(shù)不全使得缺陷增加。另外，納米粉體壓成塊體后，晶格常數(shù)會(huì)增加或減少，晶格常數(shù)的變化也會(huì)使缺陷增加。這就是

10、說(shuō)，納米材料實(shí)際上是缺陷密度十分高的一種材料。20點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 納米材料中，界面體積分?jǐn)?shù)比常規(guī)多晶材料大得多，這使得納米材料中，界面體積分?jǐn)?shù)比常規(guī)多晶材料大得多，這使得空位、空位團(tuán)和孔洞等點(diǎn)缺陷增多。空位、空位團(tuán)和孔洞等點(diǎn)缺陷增多?？瘴豢瘴豢瘴粓F(tuán)21孔洞孔洞孔洞一般處于晶界上孔洞一般處于晶界上，其主要源于，其主要源于原硬團(tuán)聚中原先存在孔洞，高溫?zé)Y(jié)無(wú)法消除硬團(tuán)聚體，因原硬團(tuán)聚中原先存在孔洞，高溫?zé)Y(jié)無(wú)法消除硬團(tuán)聚體，因此，孔洞就會(huì)被保留下來(lái)；此，孔洞就會(huì)被保留下來(lái)；納米微粒表面易吸附氣體，壓制過(guò)程中形成氣孔，一經(jīng)燒結(jié)，納米微粒表面易吸附氣體，壓制過(guò)程中形成氣孔，一經(jīng)燒結(jié)，氣體逃逸，留下孔洞。氣

11、體逃逸，留下孔洞。 孔洞隨退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)收縮，甚至?xí)锥措S退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)收縮，甚至?xí)耆?，可達(dá)到納米材料的致密化。完全消失，可達(dá)到納米材料的致密化。 位錯(cuò)位錯(cuò)又可稱(chēng)為差排（英語(yǔ)：dislocation），在材料科學(xué)中，指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)缺陷）。從幾何角度看，位錯(cuò)屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對(duì)材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響。若一個(gè)晶面在晶體內(nèi)部突然終止于某一條線處，則稱(chēng)這種不規(guī)則排列為一個(gè)刃位錯(cuò)。刃位錯(cuò)附近的原子面會(huì)發(fā)生朝位錯(cuò)線方向的扭曲。 納米材料中的位錯(cuò)

12、納米材料中的位錯(cuò)23納米材料中的位錯(cuò)納米材料中的位錯(cuò)晶界是納米材料的組元之一而不是缺陷，那么納米材料的點(diǎn)缺陷就可能是主要的缺陷觀點(diǎn)一觀點(diǎn)一觀點(diǎn)二觀點(diǎn)二在納米晶粒內(nèi)存在著位錯(cuò)存在著位錯(cuò)，但位錯(cuò)的的組態(tài)和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)行為都與常規(guī)晶體的不同，與常規(guī)晶體的不同，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的自由程很短。24觀點(diǎn)三觀點(diǎn)三 1990年代，高分辨率電鏡在多種納米材料中觀察到位錯(cuò)、孿晶，這就在實(shí)驗(yàn)上無(wú)可爭(zhēng)辯地證明納米晶內(nèi)存在位錯(cuò)、孿晶等缺陷。從理論上分析了納米材料的尺寸效應(yīng)對(duì)晶粒內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)的影響。他們認(rèn)為納米晶粒內(nèi)的位錯(cuò)具有尺寸效應(yīng)。ppGbl d d l lp p，位錯(cuò)穩(wěn)定地存在于該晶粒中，位錯(cuò)穩(wěn)定地存在于該晶粒中G：切變模量，

13、b：柏氏矢量， ：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣摩擦力p金屬納米晶粒內(nèi)位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長(zhǎng)度金屬納米晶粒內(nèi)位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長(zhǎng)度1 1、不同金屬納米晶粒位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長(zhǎng)度不同。如、不同金屬納米晶粒位錯(cuò)穩(wěn)定存在的特征長(zhǎng)度不同。如CuAlNiCuAlNi等等2 2、當(dāng)金屬晶粒的形態(tài)不同時(shí)，當(dāng)金屬晶粒的形態(tài)不同時(shí)， 特征長(zhǎng)度特征長(zhǎng)度也有所不同。也有所不同。納米材料中位錯(cuò)與晶粒大小之間的關(guān)系 由于位錯(cuò)在材料科學(xué)研究中占有極其重要的地位，金屬材料的強(qiáng)度、塑性、斷裂等理論都是建立在位錯(cuò)等缺陷的基礎(chǔ)上，因此，弄清納米材料的位錯(cuò)與晶粒大小的關(guān)系是十分重要的。Coch總結(jié)了在納米材料中位錯(cuò)與晶粒大小之間的關(guān)系，認(rèn)為：1.當(dāng)

14、晶粒尺寸在50100nm之間，溫度0，材料的硬度升高，如Fe等 k0 k0，硬度先升高后降低，如Ni、Fe-Si-B和 TiAl等合金 k=0，硬度不發(fā)生變化。異常的異常的Hall-PetchHall-Petch關(guān)系關(guān)系的客觀原因：的客觀原因： 試樣的制備和處理方法不同。這必將影響試樣的原子結(jié)構(gòu)特別是界面原子結(jié)構(gòu)界面原子結(jié)構(gòu)和自由能自由能的不同從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不同。特別是前期研究中樣品的孔隙度較大，密度較低，缺陷較多，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性和不可比性。 實(shí)驗(yàn)和測(cè)量方法所造成的誤差。前期研究多用在小塊體試樣上測(cè)量出的顯微硬度值Hv來(lái)代替大塊體試樣的 ，很少有真正的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。這種替代本身就具

15、有很大的不確定性，而且Hv的測(cè)量誤差較大。同時(shí)，對(duì)晶粒尺寸的測(cè)量和評(píng)價(jià)中的變數(shù)較大而引起較大的誤差。 除了上述客觀影響因素外，有人從變形機(jī)制上來(lái)解釋反常的Hall-Petch關(guān)系。 例如，在納米晶界存在大量的旋錯(cuò)，晶粒越細(xì)，旋錯(cuò)越多。旋錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶界的軟化甚至使晶粒發(fā)生滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，使納米晶材料的整體延展性增加，因而使 值變?yōu)樨?fù)值。k 為了使Hall-Petch公式能適用于晶粒細(xì)小的納米材料，有人提出了位錯(cuò)在晶界堆積或形成網(wǎng)絡(luò)的模型-如下圖所示。該模型在Hall-Petch公式引入了d-1項(xiàng)，這項(xiàng)在晶粒尺寸小于10nm時(shí)將起決定性作用變形時(shí)，各向異性導(dǎo)致應(yīng)力集中在晶界處，形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)?21?

16、kdy+k d-1模型缺陷：然而這些模型中皆沿用 ，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。在缺乏位錯(cuò)行為的納米材料中， 可能根本就不存在，這是這類(lèi)模型所無(wú)法處理的問(wèn)題。 GleiterGleiter等等人人提出在給定溫度下納米材料存在一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)晶粒大于臨界尺寸使k是正值；晶粒小于臨界尺寸時(shí)k是負(fù)值，即反映出反常的Hall-Petch關(guān)系。 Coch認(rèn)為當(dāng)納米晶材料晶粒尺寸很小時(shí)（約小于30nm），材料中缺少可動(dòng)位錯(cuò)。因此，建立在位錯(cuò)基礎(chǔ)上的變形理論就不能起作用。 Gryaznov等人計(jì)算了納米晶中存在穩(wěn)定位錯(cuò)和位錯(cuò)堆積的臨界尺寸： 對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，柏氏矢量在0.2nm0.3nm時(shí)，臨界尺寸： Lp Lp

17、=15nm=15nm認(rèn)為當(dāng)金屬的晶粒約小于15nm時(shí)，位錯(cuò)的堆積就不穩(wěn)定。這些計(jì)算結(jié)果量化了Gleiter的臨界尺寸。ppGbl d d l lp p，位錯(cuò)穩(wěn)定地存在于該晶粒中，位錯(cuò)穩(wěn)定地存在于該晶粒中G：切變模量，b：柏氏矢量， ：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣摩擦力p反常Hall-Petch關(guān)系的本質(zhì) 產(chǎn)生反常Hall-Petch關(guān)系的機(jī)制或本質(zhì)是當(dāng)納米晶粒小于位錯(cuò)產(chǎn)生穩(wěn)定堆積或位錯(cuò)穩(wěn)定的臨界尺寸時(shí)，建立在位錯(cuò)理論上的變形機(jī)制不能成立。Hall-Petch公式是建立在粗晶材料上的經(jīng)驗(yàn)公式，是建立在位錯(cuò)理論基礎(chǔ)上的。 在位錯(cuò)堆積不穩(wěn)定或位錯(cuò)不穩(wěn)定的條件下，Hall-Petch公式本身就不能成立。人們對(duì)納米材

18、料的強(qiáng)度、變形等現(xiàn)象還缺乏很好的了解，還需要進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究。3.1.33.1.3納米金屬的強(qiáng)度和塑性納米金屬的強(qiáng)度和塑性納米金屬的強(qiáng)度和塑性 納米納米PdPd、CuCu等塊體試樣的等塊體試樣的硬度硬度試驗(yàn)表明，納米材料試驗(yàn)表明，納米材料的硬度一般為同成分的粗晶材料的硬度一般為同成分的粗晶材料硬度硬度的的2-72-7倍。倍。 由納米由納米PdPd、CuCu、AuAu等的拉伸試驗(yàn)表明，其屈服強(qiáng)度等的拉伸試驗(yàn)表明，其屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度均高于同成分的粗晶金屬。和斷裂強(qiáng)度均高于同成分的粗晶金屬。 例如：納米例如：納米FeFe的斷裂強(qiáng)度為的斷裂強(qiáng)度為6000MPa6000MPa，遠(yuǎn)高于微米晶，遠(yuǎn)

19、高于微米晶的的500MPa500MPa。納米銅的屈服強(qiáng)度。納米銅的屈服強(qiáng)度350MPa350MPa，粗晶銅的為，粗晶銅的為260MPa260MPa。存在的問(wèn)題試驗(yàn)方面上述上述結(jié)果大多是用微型樣品測(cè)得的。眾所周知，微型樣品測(cè)結(jié)果大多是用微型樣品測(cè)得的。眾所周知，微型樣品測(cè)得的數(shù)據(jù)往往高于常規(guī)宏觀樣品測(cè)得的數(shù)據(jù)，且兩者之間還得的數(shù)據(jù)往往高于常規(guī)宏觀樣品測(cè)得的數(shù)據(jù)，且兩者之間還存在可比性問(wèn)題存在可比性問(wèn)題。目前，有關(guān)納米材料強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限，缺乏拉伸特目前，有關(guān)納米材料強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限，缺乏拉伸特別是大試樣拉伸的實(shí)驗(yàn)。別是大試樣拉伸的實(shí)驗(yàn)。缺乏關(guān)于納米材料強(qiáng)化機(jī)制的研究。缺乏關(guān)于納米材料

20、強(qiáng)化機(jī)制的研究。對(duì)微米晶材料來(lái)說(shuō)，已有明確的強(qiáng)化機(jī)制，即對(duì)微米晶材料來(lái)說(shuō)，已有明確的強(qiáng)化機(jī)制，即固溶強(qiáng)固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化，化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化，這些強(qiáng)化機(jī)制這些強(qiáng)化機(jī)制都建立在位錯(cuò)理論基礎(chǔ)上。都建立在位錯(cuò)理論基礎(chǔ)上。究竟究竟是什么機(jī)制使得納米材料的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于微米是什么機(jī)制使得納米材料的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于微米晶材料的屈服強(qiáng)度，目前還缺乏合理的解釋。晶材料的屈服強(qiáng)度，目前還缺乏合理的解釋。存在的問(wèn)題理論方面納米金屬的塑性 在拉伸和壓縮兩種不同的應(yīng)力狀態(tài)下，納米金屬的塑性和韌性顯示出不在拉伸和壓縮兩種不同的應(yīng)力狀態(tài)下，納米金屬的塑性和韌性顯示出不同的特點(diǎn)：同的特點(diǎn)

21、： 拉應(yīng)力作用下，納米晶金屬的塑、韌性大幅度下降。如，納米Cu的拉伸伸長(zhǎng)率僅為6%，是同成分粗晶伸長(zhǎng)率的20%。 納米金屬的晶粒尺寸與納米金屬的晶粒尺寸與伸長(zhǎng)率的關(guān)系伸長(zhǎng)率的關(guān)系1997年以前研究者測(cè)定的納米晶Ag、Cu、Pd和Al等金屬的伸長(zhǎng)率和晶粒大小的關(guān)系。在晶粒尺寸小于100nm的范圍內(nèi)，大多數(shù)伸長(zhǎng)率小于5%，并隨著尺寸減小拉伸率急劇降低，晶粒小于30nm的金屬基本上是脆性斷裂。表現(xiàn)出與粗晶金屬完全不同的塑性行為對(duì)大多數(shù)的材料,當(dāng)其應(yīng)力低于彈性極限時(shí),應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是線性的，表現(xiàn)為彈性行為，也就是說(shuō)，當(dāng)移走載荷時(shí)，其應(yīng)變也完全消失。而應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，發(fā)生的變形包括彈性變形和塑性變形

22、兩部分，塑性變形不可逆。評(píng)價(jià)金屬材料的塑性指標(biāo)包括伸長(zhǎng)率（延伸率）A 和斷面收縮率Z表示。鑄鐵VS銅？塑性？塑性？納米金屬的塑性 粗晶金屬的塑性隨著晶粒的減小而增大是由于晶粒的細(xì)化使晶界增多，而晶界的增多能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展。而納米晶的晶界似乎不能阻止裂紋的擴(kuò)展。主要原因有： 納米晶金屬的納米晶金屬的屈服強(qiáng)度的大幅度提高屈服強(qiáng)度的大幅度提高，使拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，因而，使拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，因而在拉伸過(guò)程中試樣來(lái)不及充分變形就產(chǎn)生斷裂。（在拉伸過(guò)程中試樣來(lái)不及充分變形就產(chǎn)生斷裂。（一般來(lái)說(shuō)，硬度高則塑性低一般來(lái)說(shuō)，硬度高則塑性低） 納米晶金屬的密度低，內(nèi)部含有較多的納米晶

23、金屬的密度低，內(nèi)部含有較多的孔隙等缺陷孔隙等缺陷，而納米晶金屬由于屈服強(qiáng)度，而納米晶金屬由于屈服強(qiáng)度高，因而在拉應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)這些內(nèi)部缺陷以及金屬的表面狀態(tài)特別敏感。高，因而在拉應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)這些內(nèi)部缺陷以及金屬的表面狀態(tài)特別敏感。 納米晶金屬中的納米晶金屬中的雜質(zhì)元素含量較高雜質(zhì)元素含量較高，從而損傷了納米金屬的塑性。，從而損傷了納米金屬的塑性。 納米晶金屬在拉伸時(shí)納米晶金屬在拉伸時(shí)缺乏可移動(dòng)的位錯(cuò)缺乏可移動(dòng)的位錯(cuò)，不能釋放裂紋尖端的應(yīng)力。，不能釋放裂紋尖端的應(yīng)力。如何提高拉伸應(yīng)力下納米金屬塑性？雜質(zhì)對(duì)納米晶金屬的塑性的影響雜質(zhì)對(duì)納米晶金屬的塑性的影響 控制雜質(zhì)的含量。 減少孔隙度和缺陷、提高密

24、度。 可以大幅度提高拉伸應(yīng)力下納米金屬的塑性和韌性。實(shí)驗(yàn)表明全致密、無(wú)污染的納米Cu拉伸率可達(dá)30%以上。納米金屬的塑性在壓應(yīng)力狀態(tài)下，納米晶金屬能表現(xiàn)出很高的塑性和韌性。 納米Cu在壓應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度比拉應(yīng)力下的屈服強(qiáng)度高兩倍，但仍顯示出很好的塑性。 納米Pd、Fe試樣的壓縮實(shí)驗(yàn)也表明，其屈服強(qiáng)度高達(dá)GPa水平，斷裂應(yīng)變可達(dá)20%，這說(shuō)明納米晶金屬具有良好的壓縮塑性。納米金屬的塑性其原因可能是：其原因可能是： 在壓應(yīng)力作用下金屬內(nèi)部的缺陷得到修復(fù)，密度提高。在壓應(yīng)力作用下金屬內(nèi)部的缺陷得到修復(fù)，密度提高。 或納米晶金屬在壓應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)內(nèi)部的缺陷或表面狀態(tài)不敏感所致?；蚣{米晶金屬在壓應(yīng)力狀態(tài)下

25、對(duì)內(nèi)部的缺陷或表面狀態(tài)不敏感所致。在壓縮情況下納米晶銅和粗晶銅相比有更好的延展率，延展率達(dá)到5100%，遠(yuǎn)高于拉伸情況下的塑性。納米晶銅和粗晶銅的變形量納米金屬塑性變形機(jī)制 總之，在位錯(cuò)機(jī)制不起作用的情況下，在納米晶金屬的變形過(guò)程中，少有甚至沒(méi)有位錯(cuò)行為。此時(shí)晶界晶界的行為可能起主要作用，這包括晶界的滑動(dòng)、與旋錯(cuò)有關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可能伴隨有由短程擴(kuò)散引起的自愈合現(xiàn)象。此外，機(jī)械孿生也可能在納米材料變形過(guò)程中起到很大的作用。 因此，要弄清納米材料的變形和斷裂機(jī)制，人們還需要做大量的探索和研究。3.1.43.1.4納米復(fù)合材料的力學(xué)性能納米復(fù)合材料的力學(xué)性能 納米復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的納米組元

26、均勻混合在一起而組成的材料。2-22-2維復(fù)合維復(fù)合0-30-3維復(fù)合維復(fù)合從力學(xué)性能角度考慮，人們最關(guān)心的是從力學(xué)性能角度考慮，人們最關(guān)心的是2-22-2維、維、0-30-3維和維和0-00-0型復(fù)合材料。型復(fù)合材料。2-22-2維復(fù)合維復(fù)合自然界和生物材料的微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)自然界和生物材料的微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)自然界中：自然界中：具有具有2-22-2維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的天然珍珠，貝殼具有和釉瓷相似維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的天然珍珠，貝殼具有和釉瓷相似的強(qiáng)度，但韌性顯著高于釉瓷。硬質(zhì)的碳酸鹽等無(wú)機(jī)物納米層和軟的強(qiáng)度，但韌性顯著高于釉瓷。硬質(zhì)的碳酸鹽等無(wú)機(jī)物納米層和軟性的有機(jī)物納米層天然復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高韌性

27、的統(tǒng)一性的有機(jī)物納米層天然復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高韌性的統(tǒng)一。啟發(fā)：人工啟發(fā)：人工設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)SiCSiC薄片與石墨薄層交替復(fù)合的層狀復(fù)合材料，其斷裂薄片與石墨薄層交替復(fù)合的層狀復(fù)合材料，其斷裂韌性達(dá)到了韌性達(dá)到了15MPa15MPam m1/21/2，斷裂功高達(dá)，斷裂功高達(dá)4625J/m4625J/m2 2，是常規(guī)，是常規(guī)SiCSiC陶瓷的幾陶瓷的幾十倍。十倍。2-22-2維復(fù)合的兩相一般采用維復(fù)合的兩相一般采用：強(qiáng)強(qiáng)/ /韌、強(qiáng)韌、強(qiáng)/ /軟、軟、bcc/fccbcc/fcc的的兩相復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的統(tǒng)一。兩相復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的統(tǒng)一。0-3維復(fù)合0-30-3維復(fù)合是將納

28、米顆粒均勻分布到維復(fù)合是將納米顆粒均勻分布到3 3維塊體材料中維塊體材料中。如：如： Al-Cu Al-Cu、Al-Cu-MgAl-Cu-Mg、Al-LiAl-Li合金、合金、Cu-CrCu-Cr、Cu-ZrCu-Zr合金合金。 通過(guò)淬火固溶處理，將合金元素固溶于通過(guò)淬火固溶處理，將合金元素固溶于AlAl、CuCu等基體中，再通等基體中，再通過(guò)時(shí)效處理，使固溶的合金元素脫溶析出，形成彌散分布的過(guò)時(shí)效處理，使固溶的合金元素脫溶析出，形成彌散分布的納米相，從而提高合金的強(qiáng)度。析出相越細(xì)，強(qiáng)化效果越高納米相，從而提高合金的強(qiáng)度。析出相越細(xì)，強(qiáng)化效果越高。這類(lèi)合金亦稱(chēng)原位自生的納米復(fù)合合金，。這類(lèi)合金

29、亦稱(chēng)原位自生的納米復(fù)合合金，0-3維復(fù)合如：將將熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性和和化學(xué)穩(wěn)定性較高化學(xué)穩(wěn)定性較高的的陶瓷納米顆粒陶瓷納米顆粒復(fù)合到復(fù)合到金屬金屬中以增加金屬材料的高溫強(qiáng)度。中以增加金屬材料的高溫強(qiáng)度。 ThOThO2 2分布在分布在NiNi及及NiNi基高溫合金中，使合金的使用溫度明顯升基高溫合金中，使合金的使用溫度明顯升高。高。如：如：在在AlAl2 2O O3 3基體中加入基體中加入5wt5wt的納米的納米SiCSiC增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)顆粒，使，使AlAl2 2O O3 3的強(qiáng)度從的強(qiáng)度從350MPa350MPa增加到增加到1500MPa1500MPa，斷裂韌性由，斷裂韌性由3.5MPa3.5M

30、Pam m1/21/2增加到增加到4.8MPa4.8MPam m1/21/2；0-3維復(fù)合如：如：將將AlAl2 2O O3 3納米顆粒加入到普通玻璃中，在不改變透納米顆粒加入到普通玻璃中，在不改變透光率的情況下可明顯改善玻璃的脆性；光率的情況下可明顯改善玻璃的脆性；如：如：將納米將納米AlAl2 2O O3 3顆粒加入到橡膠中可顯著提高橡膠的顆粒加入到橡膠中可顯著提高橡膠的耐磨性。耐磨性。決定決定0-30-3維納米復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性的主要因素有維納米復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性的主要因素有：納米顆粒的尺寸納米顆粒的尺寸體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)納米顆粒本身的性能。納米顆粒本身的性能。納米SiC顆粒增強(qiáng)陶瓷的

31、性能納米Al2O3顆粒增強(qiáng)金屬的性能增強(qiáng)相由微米級(jí)變?yōu)榧{米級(jí)后，Al2O3的強(qiáng)度大幅度提高。表中數(shù)據(jù)還表明，在納米級(jí)復(fù)合時(shí)，增強(qiáng)相的成分非常重要，如SiC的增強(qiáng)效果明顯高于Si3N4的強(qiáng)化效果。納米Al2O3顆粒與W、Mo、Ni、Ti復(fù)合后的強(qiáng)度與微米復(fù)合材料的比較。由表可以看出，納米復(fù)合后的強(qiáng)度是微米級(jí)復(fù)合強(qiáng)度的23倍。 通過(guò)納米復(fù)合材料，可創(chuàng)造高強(qiáng)度、高韌性統(tǒng)一的新材料。通過(guò)納米復(fù)合材料，可創(chuàng)造高強(qiáng)度、高韌性統(tǒng)一的新材料。突破現(xiàn)在工程材突破現(xiàn)在工程材料的強(qiáng)度和韌性料的強(qiáng)度和韌性此消彼長(zhǎng)的矛盾此消彼長(zhǎng)的矛盾! !3.1.53.1.5納米材料的蠕變與超塑性納米材料的蠕變與超塑性蠕變？ 材料的蠕

32、變?nèi)渥兪侵覆牧显诟哂谝欢ǖ臏囟龋═0.3Tm）下，即使受到小于屈服強(qiáng)度應(yīng)力的作用也會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。 它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過(guò)彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，即使受得力很小，也會(huì)發(fā)生永久性變形。蠕變過(guò)程可分為減速、恒速和加速三個(gè)階段、由于第一和第三階段較短，因此對(duì)蠕變的研究主要集中在恒速或穩(wěn)態(tài)蠕變的第二階段。超塑性超塑性是指材料在拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生頸縮頸縮或斷裂前的伸長(zhǎng)率至少大于100。材料在壓應(yīng)力下產(chǎn)生的大變形稱(chēng)為超延展性。 超塑性是一種奇特的現(xiàn)象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長(zhǎng)10倍、20倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會(huì)斷裂。特別在航

33、空航天上，面對(duì)極難變形的鈦合金和高溫合金，普通的鍛造和軋制等工藝很難成形，而利用超塑性加工卻獲得了成功，超塑加工具有很大的實(shí)用價(jià)值，只要很小的壓力就能獲得形狀非常復(fù)雜的制作。超塑性？超塑性？頸縮頸縮頸縮頸縮在拉伸應(yīng)力下，材料可能發(fā)生的局部截面縮減的現(xiàn)象，頸縮和斷裂意味著材料失去力學(xué)效能。 納米材料的蠕變?nèi)渥兒统苄猿苄匝芯恐饕性谝韵聝牲c(diǎn)：微米晶材料在低應(yīng)力和適中溫度（0.4-0.6）Tm下產(chǎn)生晶界擴(kuò)散蠕變。由于納米材料具有相當(dāng)大的體積分?jǐn)?shù)的晶界和極高的晶界擴(kuò)散系數(shù)，因此納米材料能否在低應(yīng)力下和較低的溫度下（0.2-0.3）Tm產(chǎn)生晶界擴(kuò)散蠕變？微米晶材料通常在高溫下（T0.5Tm）和適中

34、的應(yīng)變速率下（10-5-10-2）/s才產(chǎn)生超塑性，那么，納米材料能否在較低的溫度和高的應(yīng)變速率下產(chǎn)生超塑性？在很低的應(yīng)力和細(xì)晶條件下，早期的理論認(rèn)為是空位而不是位錯(cuò)的擴(kuò)散引起蠕變?？瘴坏臄U(kuò)散有兩種機(jī)制，即通過(guò)晶格擴(kuò)散晶格擴(kuò)散和沿晶界擴(kuò)散沿晶界擴(kuò)散。描述空位通過(guò)晶格擴(kuò)散的模型為Nabarro-HerringNabarro-Herring方程方程，其蠕變速率： 式中，A ANHNH為常數(shù)；D D為晶格擴(kuò)散系數(shù)； 為原子體積； 為拉伸應(yīng)力；K K為波爾茲曼常數(shù)；d d為晶粒尺寸。2NHNHDAKTd描述空位沿晶界擴(kuò)散的模型為Coble方程，其蠕變速率： 式中，D Dgbgb為晶界擴(kuò)散系數(shù)； 為晶界

35、厚度；其余符號(hào)同Nabarro-Herring方程。03gbcDK Td 由于由于D Dgbgb高出高出D D幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，當(dāng)晶粒由微米級(jí)降低為納幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，當(dāng)晶粒由微米級(jí)降低為納米級(jí)時(shí)，米級(jí)時(shí)， 應(yīng)高出應(yīng)高出 至少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。至少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 （晶界擴(kuò)散系數(shù)高于晶格擴(kuò)散系數(shù)的原因：晶界上的原子排列規(guī)律差，能量較高，易于移動(dòng)，因此擴(kuò)散速率高于晶粒內(nèi)部，之前在界面效應(yīng)時(shí)講過(guò)） 由此預(yù)測(cè)，在應(yīng)力相同的條件下，納米材料可在較低溫度下由此預(yù)測(cè)，在應(yīng)力相同的條件下，納米材料可在較低溫度下甚至在室溫產(chǎn)生甚至在室溫產(chǎn)生晶界擴(kuò)散蠕變晶界擴(kuò)散蠕變。0cNH在室溫下進(jìn)行的蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米Cu、Pd

36、的蠕變擴(kuò)散速率并不明顯大于微米晶的蠕變速率，無(wú)論在低溫或中溫范圍內(nèi)晶界擴(kuò)散蠕變或Coble蠕變并不適用于Cu、Pd納米材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果中溫區(qū)（中溫區(qū)（0.33-0.480.33-0.48）TmTm納米納米CuCu的蠕變曲線的蠕變曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的蠕變速率比Coble模型計(jì)算值低幾個(gè)數(shù)量級(jí)納米金的蠕變實(shí)驗(yàn)室溫下全致密納米金試樣的蠕變實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)施加應(yīng)力超過(guò)某一臨界某一臨界值值時(shí)才產(chǎn)生蠕變。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段金試樣（36nm）的蠕變速率與施加應(yīng)力與施加應(yīng)力呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系，表明蠕變?yōu)镃oble型蠕變。室溫下納米金的應(yīng)力和蠕變曲線室溫下納米金的應(yīng)力和蠕變曲線應(yīng)力超應(yīng)力超過(guò)臨界過(guò)臨界值時(shí)發(fā)值時(shí)

37、發(fā)生蠕變生蠕變室溫下納米金在給定應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變區(qū)域室溫下納米金在給定應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變區(qū)域在穩(wěn)態(tài)區(qū)在穩(wěn)態(tài)區(qū)域蠕變速域蠕變速率和應(yīng)力率和應(yīng)力成線性關(guān)成線性關(guān)系系 利用電解沉積技術(shù)制備的致密的納米利用電解沉積技術(shù)制備的致密的納米NiNi（6 640nm40nm）表現(xiàn)）表現(xiàn)出明顯的室溫蠕變特性，且晶粒越細(xì)，蠕變速率越高。出明顯的室溫蠕變特性，且晶粒越細(xì)，蠕變速率越高。室溫下20nmNi試樣的蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系6nm、20nm、40nm晶粒的納米Ni的蠕變速率和應(yīng)力曲線可以看出：晶粒越小，同樣應(yīng)力下蠕變速率越快。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與CobleCoble晶晶界蠕變模型界蠕變模型接近接近納米納米NiNi的晶粒對(duì)穩(wěn)

38、態(tài)蠕變速的晶粒對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力關(guān)系的影響率與應(yīng)力關(guān)系的影響圖中虛線是圖中虛線是CobleCoble晶界晶界蠕變模型蠕變模型模擬曲線模擬曲線然而，該實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的總?cè)渥兞啃∮谌欢搶?shí)驗(yàn)所測(cè)量的總?cè)渥兞啃∮?.010.01，遠(yuǎn)未達(dá)到，遠(yuǎn)未達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變階段，此外，試驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)量蠕變激活能，穩(wěn)態(tài)蠕變階段，此外，試驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)量蠕變激活能，因此因此20nm20nm以下晶粒以下晶粒NiNi在低應(yīng)力下的擴(kuò)散蠕變機(jī)制還不能成立。在低應(yīng)力下的擴(kuò)散蠕變機(jī)制還不能成立。結(jié)論 盡管納米盡管納米CuCu、AuAu、NiNi等材料等材料在較低應(yīng)力和較低溫度下觀察在較低應(yīng)力和較低溫度下觀察到了晶界蠕變擴(kuò)散，并且有些材料的

39、蠕變?cè)谝欢l件下也到了晶界蠕變擴(kuò)散，并且有些材料的蠕變?cè)谝欢l件下也符合符合CobleCoble擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變模型，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏及實(shí)驗(yàn)條件模型，但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏及實(shí)驗(yàn)條件的不確定，的不確定，要確定關(guān)于納米材料的蠕變機(jī)制仍需做大量的要確定關(guān)于納米材料的蠕變機(jī)制仍需做大量的深入研究。深入研究。超塑性？塑性：材料尤其是金屬材料的重要屬性，指金屬在保持其力學(xué)性能的情況下，既具有永久變形能力又具有足夠強(qiáng)度的性能?！俺苄浴背鼋饘僖话恪八苄浴敝笜?biāo)的特性。做為衡量塑性?xún)?yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)延伸率，一般金屬不超過(guò)百分之幾十，如黑色金屬不大于40，有色金屬不大于60（如鋁約為50左右，金銀不超過(guò)80），

40、即使在高溫下拉伸，也難以達(dá)到100。從材料的提純、冶煉、鍛造和熱處理中設(shè)法改善金屬的塑性，都無(wú)法大幅度提高塑性指標(biāo)。在長(zhǎng)期以來(lái)金屬變形的研究中，有人發(fā)現(xiàn)某些金屬在一定條件下具有大大超過(guò)一般塑性的特異性能，這些具有超塑性的金屬其值可超過(guò)百分之百，有的甚至達(dá)到百分之二千也不產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。隨著研究的深入，普遍認(rèn)為這種特殊的、巨大的延伸特性并不限于某幾種合金；對(duì)大多數(shù)金屬材料，包括鋼鐵等黑色金屬以及一般認(rèn)為難成形的鈦合金等，在特定條件下都可使值提高幾倍至幾十倍。比如Ti-6Al-4V板材，常溫下的值約10%，Ti-5Al-4V約14%，前者在加溫到760時(shí)，值約為65%，850時(shí)約90%，即使加溫到9

41、00也只達(dá)110%左右。然而處于超塑性條件下的Ti-6Al-4V，值可高達(dá)500%以上，甚至1000%以上。 19201920年德國(guó)人羅森漢在研究鋅年德國(guó)人羅森漢在研究鋅- -鋁鋁- -銅合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，在銅合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，在250-250-270,0.39-1.37GPa270,0.39-1.37GPa時(shí)該合金具有超塑性。時(shí)該合金具有超塑性。19821982年英國(guó)年英國(guó)物理學(xué)家森金斯給這種現(xiàn)象做如下定義：凡金屬物理學(xué)家森金斯給這種現(xiàn)象做如下定義：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)于金屬熔點(diǎn)溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速度像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速

42、度1010毫米毫米/ /秒時(shí)產(chǎn)生本身長(zhǎng)度三秒時(shí)產(chǎn)生本身長(zhǎng)度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。倍以上的延伸率，均屬于超塑性。19451945年蘇聯(lián)科學(xué)家包齊瓦爾提出年蘇聯(lián)科學(xué)家包齊瓦爾提出“超塑性超塑性”這一術(shù)語(yǔ)。這一術(shù)語(yǔ)。 超塑性：是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形超塑性：是指材料在一定的內(nèi)部（組織）條件（如晶粒形狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)狀及尺寸、相變等）和外部（環(huán)境）條件下（如溫度、應(yīng)變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性變速率等），呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。能（例如大的延伸率）的現(xiàn)象。 一般說(shuō)來(lái)，如果材料的

43、延伸率超過(guò)一般說(shuō)來(lái)，如果材料的延伸率超過(guò)100100，就可稱(chēng)為超塑性，就可稱(chēng)為超塑性。凡具有能超過(guò)。凡具有能超過(guò)100100延伸率的材料，則稱(chēng)之為超塑性材料延伸率的材料，則稱(chēng)之為超塑性材料。現(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過(guò)?，F(xiàn)代已知的超塑性材料之延伸率最大可超過(guò)10001000，有，有的甚至可達(dá)的甚至可達(dá)20002000納米材料的超塑性納米材料的超塑性產(chǎn)生超塑性的條件產(chǎn)生超塑性的條件通常是溫度大于通常是溫度大于0.5 0.5 TmTm。從本質(zhì)上講，超塑性是高溫。從本質(zhì)上講，超塑性是高溫蠕變的一種，因而發(fā)生超塑性需要一定的溫度條件，蠕變的一種，因而發(fā)生超塑性需要一定的溫度條件，稱(chēng)為超塑性溫

44、度稱(chēng)為超塑性溫度TsTs，Ts0.5TmTs0.5Tm。具有穩(wěn)定的等軸細(xì)晶組織（具有穩(wěn)定的等軸細(xì)晶組織（1010 m m），并在變形過(guò)程），并在變形過(guò)程中晶粒不顯著長(zhǎng)大。中晶粒不顯著長(zhǎng)大。微米晶材料產(chǎn)生超塑性的應(yīng)變速率為微米晶材料產(chǎn)生超塑性的應(yīng)變速率為10105 510102 2s s1 1。超塑性成形的基本特點(diǎn)：超塑性成形的基本特點(diǎn)：大變形：超塑性材料在單向拉伸時(shí)伸長(zhǎng)率極高，目前已有高達(dá)8000以上的報(bào)道。超塑性材料塑性變形的穩(wěn)定性、均勻性要比普通材料好得多，這就使材料成形性能大為改善，可以使許多形狀復(fù)雜，難以成形構(gòu)件的一次成形變?yōu)榭赡?。小?yīng)力：材料在超塑性變形過(guò)程中的變形抗力很小，它往往具有粘性或半粘性流動(dòng)的特點(diǎn)，在最佳超塑變形條件下，超塑流變應(yīng)力通常是常規(guī)變形的幾分之一乃至幾十分之一。例如，Zn-22Al合金在超塑變形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力不超過(guò)2MPa，鈦合金板料超塑成形時(shí)，其流動(dòng)應(yīng)力也只有幾十兆帕甚至幾兆帕。無(wú)縮頸：一般具有一定塑性變形能力的材料在拉伸變形過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)早期縮頸后，由于應(yīng)力集中效應(yīng)使縮頸繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致提前斷裂。超塑性材料的塑性流變類(lèi)似于粘性流動(dòng)，沒(méi)有（或很?。?yīng)變硬化效應(yīng)，但對(duì)變形速度敏感，有所謂“應(yīng)變速率硬化效應(yīng)”，即變形速度增加時(shí)，材料