位错
• 位错位错属于一种线缺 陷，可视为晶体中已滑 移部分与未滑移部分的 分界线，其存在对材料 的物理性能，尤其是力 学性能，具有极大的影 响。 若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不 规则排列为一个刃位错。刃位错附近的原子面会发生朝位错线方 向的扭曲。
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
f 3
: 晶界的厚度，通常包括2～3个原子间距；
d ：晶粒的直径； f ：晶界体积分数；
假设晶粒的平均尺寸为5nm，晶界的厚度为1nm，则由上式 可计算出晶界所占的体积分数为50％。

( d )
9.1纳米材料的晶界与缺陷
晶粒直径与晶界体积分数关系
晶粒/nm 晶界厚度/nm 晶粒个数/2×2×2m3 晶界体积分数/％ 2000 0.6 1 0.09 20 0.6 106 9.0 10 4 0.6 0.6 0.8×107 1.3×108 18.0 42.6 2 0.6 109 80.5
纳米材料的缺陷 在常规晶体材料中，不可避免地存在缺陷。分别为：点缺陷 （空位、间隙原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、亚晶 界）；
而纳米固体材料中，存在：
界面原子排列混乱； 界面原子配位不全； 纳米粉体压制成块体的过程中，晶格常数发生变化。 纳米材料的缺陷密度比常规晶体材料大得多
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
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9.2纳米材料的力学性能概述
弹性模量
孔隙率越大， 弹性模量下降 越大
纳米材料孔隙率和弹性模量的关系
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9.2纳米材料的力学性能概述
弹性模量
Fe、Ni等纳米粉体压制的固体材料 晶粒尺寸和弹性模量的关系，虚线/ 实线分别为晶界厚度0.5nm/1nm时的 测量曲线。 从图中可知，当晶粒小于20nm时， 弹性模量下降到粗晶的95%，晶粒尺 寸小于5nm时，弹性模量才明显下降。
材料力学性能
第9章 纳米材料的力学性能
材料与机电学院 艾建平 E-mail: ai861027@
内容提纲
9.1 纳米材料的晶界与缺陷
9.2 纳米材料的力学性能概述
霍尔-配奇关系
弹性模量
强度与韧性
超塑性
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米固体材料是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm的粒 子凝聚而成的三维块体。纳米固体材料的基本构 成是纳米微粒加上它们之间的界面。
强度和韧性
突破现在工程材料的强度和韧性此消彼长的矛盾!
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9.2纳米材料的力学性能概述
超塑性
颈缩在拉伸应力作用下，材料可能发生的局部截面缩减的现象，颈 缩和断裂意味着材料失去力学效能。 一般说来，如果材料的延伸率超过100％，就可称为超塑性。凡具有 能超过100％延伸率的材料，则称之为超塑性材料。 20
计算表明 : 当晶粒直径从 100 nm减小到2 nm时，三叉晶界 体积分数增加3个数量级，而 晶界体积分数仅增加 1个数量 级。
三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数
。这就意味着三叉晶界对纳米晶体材料的性能影响是非常大的 三叉晶界处的原子扩散更快，运动性更好
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米晶粒尺寸和弹性模量的关系
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9.2纳米材料的力学性能概述
强度和韧性
控制杂质的含量; 减少孔隙度和缺陷、提 高密度; 可以大幅度提高拉伸应 力下纳米金属的塑性和韧 性。实验表明全致密、 无污染的纳米 Cu 拉伸率可 达30%以上。
杂质对纳米晶金属的塑性的影响
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9.2纳米材料的力学性能概述
在较低的温度下，如室温附近脆性的陶瓷或金属间 化合物在具有纳米晶时，具有塑性或是超塑性。
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9.2纳米材料的力学性能概述
霍尔-配奇关系 硬度表示，即为 H= H0 +kd-1/2 对各种粗晶材料都是适用的。
• 多数测量表明，纳米材料的强度在晶粒很小时远低于 Hall-Petch公式 的计算值。
晶界在常规粗晶材料中仅仅是一种面缺陷； 晶界不仅仅是一种缺陷，更重要的是构成纳米材料的一个组元，即 晶界组元（Grain Boundary Component）。已经成为纳米固体材料的基 本构成之一，并且影响到纳米固体材料所表现出的特殊性能！
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
界面可变结构模型 界面缺陷态模型

Q D D0 exp( ) RT
式中，A为常数； G为切变模量； E 为弹性模量； D 为描述蠕变的扩 散系数；b为柏氏矢量；d为晶粒尺寸；σ为应力；R为气体常数；Q 为扩散激活能；s为晶粒指数，晶格扩散时为 2，晶界扩散时为 3。
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图3 纳米Pd薄膜的高分辨透射电镜照片
其中心思想是界面包含大量 缺陷，其中三叉晶界对界面性 质的影响起关键作用。
图4 纳米材料晶界平面示意图
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米固体材料中的三叉晶界
所谓三叉晶界，指三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域，也称旋错。
晶界 Δ
图5 三叉晶界示意图
三叉 晶界
图1 纳米材料晶界
图2 石榴果内部形貌照片
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9.1纳米材料的晶界与缺陷 纳米固体材料的基本结构组成
纳米晶体材料＝晶粒组元＋晶界组元
纳米非晶材料＝非晶组元＋界面组元
纳米准晶材料＝准晶组元＋界面组元
纳米固体材料＝颗粒组元＋界面组元
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米材料晶界结构及特点 纳米材料中晶界占有很大的体积分数，这是评定 纳米材料的一个重要参数。
不同金属纳米晶粒位错稳定存在的特征长度不同，如 Cu\Al\Ni等 当金属晶粒的形态不同时， 特征长度也有所不同
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9.1纳米材料的晶界与缺陷 纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系
Coch总结了在纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系，认 为： 1.当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 （熔点）时， 位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小 ，位错的作用开始减小。 2.当晶粒尺寸小于50nm时可认为基本上没有位错行为。 3.当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。 4.当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶 粒的理论切应力。 对于位错在纳米材料中的行为需要从理论上和实验上进 行更深入的研究。
9.2纳米材料的力学性能概述
超塑性
ZnAl22的拉伸变形（ 250℃时延伸率 1083%）
高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件 21
9.2纳米材料的力学性能概述
超塑性
微米晶的超塑性变形是扩散控制的过程。应变速率：
DGb b s 2 A ( ) ( ) KT d E
孔洞
孔洞一般处于晶界上，其主要源于 原硬团聚中原先存在孔洞，高温烧结无法消除硬团聚体， 因此，孔洞就会被保留下来； 纳米微粒表面易吸附气体，压制过程中形成气孔，一经 烧结，气体逃逸，留下孔洞。
孔洞随退火温度的升高和退火时间的延长，会收缩，甚
至会完全消失，可达到纳米材料的致密化。
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9.1纳米材料的晶界与缺陷
位错稳定存在的特征长度
Cu
G （GPa）
Al 28 0.286 6.56 18 11
Ni 95 0.249 8.7 16 10
α -Fe 85 0.245 45.5 3 2
33 0.256 1.67 38 24
b （nm）
p（10 GPa）
l c （nm）球形
－2
粒子
l c （nm）圆柱
粒子
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9.2纳米材料的力学性能概述
1996-1998年，Coch等人总结出四条纳米材料与常规晶粒材 料不同的结果： 纳米材料的弹性模量较常规晶体材料降低了30%-50%。 纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒（1um）金属的2-7倍。 纳米材料可具有负的Hall-Petch关系。即随着晶粒尺寸减小， 材料的强度降低。
点缺陷
纳米材料中，界面体积分数比常规多晶材料大得多， 这使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增多
空位 空位主要存在于晶界上，是在纳米固体由颗粒压制成块体 的过程中形成的。
空位团 空位团主要存在于三叉晶界上，其形成一部分归结为单 个空位的扩散、聚集，另一部分是在压制块体时形成的。
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9.1纳米材料的晶界与缺陷