铜系层状材料强韧化机理研究进展

近年来，中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部张广平研究员及其研究组设计了两种具有不同尺度组元层和界面结构搭配的铜系层状材料，系统地研究了两种层状金属材料在压头载荷作用下的强化机制、稳定塑性变形能力及其尺度与界面效应，并探究了层状金属材料作为脆性材料表面涂层，提高材料抗韧性的潜在能力。系列研究结果已在Appl. Phy. Lett. 92(2008) 161905, Scripta Mater. 59(2008)1226，J. Mater. Res. 24(2009)728，Philo. Mag. Lett. 89(2009)66，Adv. Eng. Mater. 11(2009)63 等刊物上发表。

    强度和韧性是结构材料的两个最重要的力学性能指标，日益苛刻的应用条件和环境对材料的强度和韧性指标都提出了更高的要求。传统的金属材料强化方法的基本思想是通过持续地减小材料内部微观结构尺度(如第二相粒子及其间距、晶粒或组织尺度等)以达到阻碍位错运动的目的。实践证明，这种依靠单一调整材料微结构尺度的设计思想往往导致材料的强韧性失调，即在获得超高强度的同时严重损失了韧性。因此，如何有效地协调和平衡材料强度与韧性之间的矛盾，在提高强度的同时保持甚至增加材料的韧性已成为人们探索金属结构材料强韧化设计的关键科学问题之一。

    层状金属材料是指将两种或多种组元的金属以一定尺度的组元层和界面进行匹配而组成的多层复合材料。当组元的单层厚度减小到纳米尺度时，这种层状材料的强度可以达到理论强度的三分之一，同时也比按混合法则得到的强度高2~3倍。由于层状金属材料不仅可以调整其组元尺度(几何和微观结构尺度)，而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层/层异质界面，因此，层状金属材料在获得高强高韧金属结构材料方面具有潜在的能力。

    张广平及其研究组设计了两种具有不同尺度组元层和界面结构搭配的铜系层状材料，单层厚度比为1:1的面心立方/面心立方型的Cu/Au和厚度比2:1的面心立方/体心立方型的Cu/Cr层状材料，层状材料的调制周期从亚微米到几十纳米，系统地研究了两种层状金属材料在压头载荷作用下的强化机制、稳定塑性变形能力及其尺度与界面效应，并探究了层状金属材料作为脆性材料表面涂层，提高材料抗韧性的潜在能力。研究发现，当多层材料的调制周期大于50nm时，两种Cu系层状材料的屈服强度随组元厚度的减小而升高，即满足Hall-Petch关系，但强度升高的能力明显不同。他们对各种铜系层状材料(Cu/X，X：Au、Ni、Ag、Nb、Al、304不锈钢等)的强度升高能力与界面关系进行了系统的分析，发现界面强化能力与层/层界面结构有关，层/层界面结构决定了界面失配度，随着界面失配应变的增加，界面强化能力逐渐增强。为此，科研人员提出了评价层状金属材料异质界面强化能力的统一模型，较好地描述了具有不同异质界面结构和失配度的层状材料的界面强化效应，将材料强化设计思想从单一的微观结构尺度调整扩展到结构尺度与界面结构的综合平衡。

    观察两种层状材料压痕诱发塑性变形行为发现，纳米尺度的Cu/Au层状材料更容易在压痕周边发生局部剪切带失稳变形，而亚微米尺度材料则发生直接跨界面剪切变形，相对而言，Cu/Cr层状材料具有更好的塑性变形稳定性。据此，科研人员提出了一个位错-界面交互作用竞争机制，并从理论上描述了局部剪切带失稳和位错直接跨界面剪切的转变规律(如图1)。可以看到，当Cu/Au层状材料的组元厚度在亚微米以上(大于80 nm)时，层内位错在界面塞积引起的应力集中大于界面障碍强度，从而导致材料发生跨界面剪切变形；当组元厚度在纳米尺度(小于80 nm)时，由于层内容纳位错能力的下降，位错在界面的塞积应力降低，而界面活动能力增加，从而易发生界面协调的局部剪切带失稳变形。界面结构分析进一步表明，Cu/Au中低模量失配的透明界面较Cu/Cr中高模量失配的模糊界面具有很好的滑移连续性，导致两种层状材料抵抗塑性失稳能力的差异。基于对铜系层状材料强韧化机理的认识，科研人员研究了Cu/Au层状材料作为强韧化涂层对脆性材料断裂性能的影响，发现厚度仅1 μm的Cu/Au层状涂层(单层厚度为100 nm)的Si单晶的断裂承载能力较无涂层的Si单晶有较大提高。Cu/Au层状涂层通过其自身塑性变形和界面协调能力能够有效地推迟脆性材料裂纹失稳扩展进程，从而提高脆性材料的韧性。

    有关层状金属材料强韧化机理的原子尺度分析、断裂行为及其尺度与界面效应的更深入研究正在进行中。此项工作得到了国家自然科学基金重大项目以及科技部“973”项目的资助。