Nat. Mater.：微米尺度鑄鋁單晶線的隨機塑性變形行為

【引言】

當金屬材料尺寸降低到10~100μm以下時，隨尺寸的減小，其強度急劇增加，塑性變形過程也不再平滑，而是以常見的自組織臨界擴展特征突發進行。理解從宏觀塑性方式向微觀塑性方式的轉變一直以來都是研究面對的巨大挑戰，部分原因是大多數小尺寸金屬使用完全不同于制造塊狀金屬時使用的工藝制造。目前，可用于機械測試的小尺度金屬試樣的制造方法主要有：薄膜沉積法，聚焦離子束（FIB），選擇性溶解等，這些方法每一種都有其優點，但都沒能實現跨越從小尺度到大體積的范圍尺寸塑性行為的探究。本文通過鹽模滲透鑄造法制造出了一種具有優異力學性能的微米級鋁單晶線，并揭示了其塑性變形內在機理。

【成果簡介】

近日，由來自瑞士洛桑聯邦理工大學的J. Krebs教授和S. I. Rao教授為共同通訊作者領導的課題組在Nature Materials上發表了一篇名為“Cast aluminium single crystals cross the threshold from bulk to size-dependent stochastic plasticity”的文章。文中，研究人員通過鹽模滲透鑄造法制造出了一種微米級鋁單晶線，該微米級鋁單晶線具有毫米級長度，且表面光滑，呈一系列晶體取向，直徑D卻小至6μm。這種微米級鋁單晶線以突發變形方式形變，其強度隨著直徑D的減小而增加。形變大于200nm的變形占線變形的約50％，并具有指數分布的強度。位錯動力學模擬結果揭示了隨機交叉滑移和釘鎖的形成導致單臂源抑制大位移形變形成的現象解釋了微米級單晶鋁的作用行為。這種微型鑄造技術可以擴展到其他種類的金屬或合金，并且為未來探索超越微米尺度材料的機械性能提供了可能。

【圖文導讀】

圖1. 鑄造工藝和鑄造鋁微米單晶線

a，圖像顯示了可熱解纖維素周圍的氯化鈉單晶結晶的示意圖，然后燒制以制備微型鑄模。

b，圖像代表鑄造直徑在微米范圍內的鋁單晶線的不同鑄造步驟。

c-e，通過a，b中所示的微觀工藝生產的直徑為19μm（c，d）和6.2μm（e），純度為99.99％的鋁單晶線的掃描圖像SEM。這些線中的每一根都超過1000μm，通常為2000μm。

圖2.微型鋁拉伸曲線和尺寸效應

a，解析的剪切應力與直徑D在13和16μm之間的微米級鋁單晶線的解析的塑性剪切應變關系曲線。

b，解析的剪切應力與最初取向為單次滑移的鋁單晶線的解析的塑性剪切應變的曲線，其中包括直徑D從100μm到7μm以及文獻中提到的宏觀晶體。

c，標準立體三角形，顯示a，b圖中測試導線的晶體取向。

d，經剪切模量G（紅點）歸一化后在0.2％塑性剪切應變下測量的解析的臨界剪切應力（CRSS）與除了初始方位接近（111）的測試線之外，伯格向量b的D的倒數歸一化以及來自三維（3D）位錯動力學模擬和單臂源模型分析的相應預測構成的曲線。模擬1和模型1假定總初始位錯密度為6×10¹¹m^-2，而模擬2和模型2假定總初始位錯密度約為2×10¹²m^-2。在相同的情況下，曲線中還顯示了用于鑄造微米級鋁單晶線的塊狀鋁的解析的臨界剪切應力以及鑄造宏觀拉伸樣品進行的抗拉強度試驗的試樣的解析的臨界剪切應力。

圖3. 解析坐標中的模擬拉伸曲線

a-d，由三維（3D）位錯動力學模擬得出的解析的剪切應力與解析的剪切應變曲線的關系，該模型考慮了20×20×50 μm³（a）和6×6×50 μm³（b）位移控制下的熱激活交錯滑移以及由負載控制下的6×6×50 μm³（c）和6×6×50μm³，沿（001）取向，300K下交叉滑移（負載控制下）和沒有交叉滑移（位移控制， 剪切應變為0.005，并且從負載控制下的該點開始）(d)。該模擬過程是在假設初始總位錯密度約為6×10¹¹m ^-2下進行的模擬。

圖4. 變形鑄鋁微米級單晶線上的滑移過程及拉伸后的形貌SEM

a，顯示的是沿一個主要滑移體系滑移后留下明顯滑痕的鑄鋁單晶，其直徑為110 μm。

b，由一定滑移體系剪切變形后形成的沿（110）初始晶粒取向的鑄鋁線，其直徑為19μm。

c，當初始方向接近（001）-（111）邊界線時，來自第二滑移體系的滑移過程變得越來越明顯，直到兩個體系在試樣方向沿著該線均勻分布時。

d，直徑為15μm的鑄鋁線，其晶粒取向接近（111）：這樣的線材顯示出來自兩個或三個等很少的不同滑移體系的小滑移過程。

e，7μm直徑的鑄鋁線在小于10％塑性應變下失效的; 它主要通過一個體系的滑移變形，然后在一個高度局部化區域的滑動失效。

圖5. 位移變形尺寸及其潛在機制

a-c，是具有較大位移變形尺寸的互補累積分布函數，位移變形尺寸以滑移方向滑移距離表示：18-20μm直徑（a），13-15μm直徑的數據分布（b）和6-7μm直徑（c）線以半對數坐標繪制。

d，在這里研究的三個尺寸范圍內的鑄鋁線，β^-1與施密德因子（Schmid factor）對交叉滑移平面（CP）與滑行平面（GP）構成的曲線關系。
E-f，e：t = 32s時，在6μm寬的呈（001）取向的晶體中通過位錯動力學模擬捕獲的單臂源停止；f: t = 33s時, 在一個末端固定的旋轉單臂位錯源連續滑動產生大量滑移，滑移停止并形成第二個釘扎點和沿著臂長的交叉滑移平面上的留下的滑移段。

【小結】

本文通過使用鹽模滲透鑄造法這一新穎方法制造出一系列直徑D小于6μm的長度卻很長（毫米級）的微米尺度鑄鋁單晶試樣。這種微米尺度鋁單晶線以突發變形方式形變，其強度隨著直徑D的減小而增加。形變大于200nm的變形占線變形的約50％，并具有指數分布的強度。位錯動力學模擬結果揭示了隨機交叉滑移和釘鎖的形成導致單臂源抑制大位移形變的形成現象揭示了微米級單晶鋁的作用行為，即尺寸的倒數（1 / D）和可塑性由大位移變形控制，而獨立于多重滑移。位錯動力學模擬結果表明晶粒尺寸大小和變形與單臂源的作用行為有關，即單臂源的停止與交叉滑移相關。遺憾的是位錯動力學模擬仍不能處理大尺寸的類似宏觀試樣; 然而，一旦大尺寸位錯動力學模擬成為可能，在實驗的基礎上，伴隨模擬計算，從而實現金屬鑄造在微觀和宏觀上的緊密結合。總之，這種微型鑄造技術對未來探索超越微米尺度材料的機械性能提供了新的可能。

文獻鏈接：Cast aluminium single crystals cross the threshold from bulk to size-dependent stochastic plasticity???(Nature Material, 2017, DOI: 10.1038/nmat4911)

本文由材料人編輯部金屬材料學術組彭黃濤供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部金屬材料學術交流群（458281221）！
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