纳米孪晶结构材料
纳米孪晶界
上图是纳米孪晶Cu变形后的高分辨透射 电镜（HRTEM）像。可见，变形后孪晶 界面上储存了大量位错，孪晶界上不全 位错累计密度可高达5×1016m-2,该值远 高于纳米晶Cu中存储的位错密度，比粗 晶Cu中存储的晶格位错也要高2个数量 级。
3、纳米孪晶材料的制备
目前纳米尺度孪晶结构可以通过 以下制备技术获得：如电解沉积、 磁控溅射沉积、塑性变形、退火 再结晶和相变等。
以上方法都会显著提高强度和硬度， 并获得高的应变速率敏感性和抗疲劳 裂纹萌生能力。 然而，这些优点的获得都以严重降低 的塑性为代价，其主要原因是大量非 共格晶界的结构无序，位错难以沿晶 界滑移，因此纳米晶粒内部容纳位错 的能力都十分有限。
纳米共格孪晶强化
孪晶—位错交互作用
• 位错滑移至孪晶界处受到阻碍 而形成应力集中，当孪晶片层 厚度减小的时候，孪晶内部可 塞积的位错数减小，位错穿过 孪晶界所需的外加应力提高， 从而实现材料强化。
• 位错穿过孪晶界时，在孪晶界上可能产生 可滑移位错、不可动位错、层错。 如果可滑移位错与孪晶界相遇分解为一个 进入孪晶的不全位错和一个留在孪晶界上 的不全位错，孪晶界就会吸纳这个不全位 错，并且滑移，造成孪晶界的迁移。该过 程可有效释放变形产生的应力集中，使孪 晶界容纳可观的塑性应变。 而交互作用在孪晶界上产生的其他不可动 位错、层错则使孪晶的共格结构被逐步破 坏。
脉冲电解沉积Cu，沉积时通电阶段高电流密 度可导致瞬时高沉积速率，可获得高密度的孪 晶核和窄的孪晶厚度。 纳米孪晶的形成受动力学驱动，因而可通过控 制沉积条件以及孪晶界和晶界能调节孪晶形核 和长大速率。孪晶倾向于在晶界或晶界三叉点 处形核，高密度孪晶界的形成降低了平均晶界 过剩能和总界面能。 在适当条件下，较低层错能的金属可获得更高 密度的孪晶。
一种既硬又韧能导电的纳米孪晶铜
纳米针状超材 料制 成 的光学 隐形设备
美 国普渡 大学 正在研 究 一种新 材料 ， 用其 制 成 的物 体可 使 光线 从其 旁边 绕过而 达 到 隐形 的 目的 。遵循 英 国物理 学者 于 ２ ０ ０６年提 出 的数 学原理 ，工 程师 们创 造 了一种 设计 理论 ；根
据这种设计，一束针状物可从其中心点向外发出辐射 。 该设计有些像圆形的刷子，它可将光 线折 向外方，使物体隐蔽不见。除了被圆筒状针束环绕 的物体外，其背景部分仍是可见的。 为达 到 隐形 目的必 须满 足两 项要 求 ：① 光线 不 能反射 ，② 光线必 须绕 过物 体 ，因而 只是 背景 部 分是可 见 的 。新设计 使被 隐蔽 物 的 内表 面 的折射 率 降为 零 ，从而 内表 面 向外表 面 的折 射 率则 从零渐 变 为一 ，这 是将光 线 导 引绕 过物 体所 必须 的 。 制造 这 些针状 物必 须利 用制 造纳米 工 艺器 件 的设备 。 据设 计理 论 ，这些针 状 物 的直径 根 应为 ｌｎ Ｏｍ，取长 度 应为 数百 纳米 。这 些针状 物 必须从 一 个 圆筒状 的 中心 点 以层 状排 列方 式 向外 发 散 。 （ 英 惠 摘译 ） 杨
为 提高 强度 向材 料 中添加 锌 、镁和 铜 。传 统熔 炼和 铸造 工 艺 ，添加 新元 素 会导 致偏 析 ，
从 而 使 晶粒 粗 大 。而 神 户 钢 铁 公 司 的新 工 艺 则 避 免 了这 一 局 限性 。该 公 司现 可 制 成 直 径 ｌｍｍ、 度 ｌＯ Ｏ 长 Ｏ ｍｍ 的锭 材 ，目前 正在 进一 步 完善 工艺 以期 大规 模 生产 锭 、 、 棒 型材 和板 材 。
（ 英惠 杨
一
摘译 ）
种 既硬又韧 能导 电的纳米孪 晶铜
纳米孪晶强化
对于硬模式I和II,滑移面倾斜于孪晶界, 位错滑移受到孪晶界限制,承受较大阻力. 而软模式中, 位错平行孪晶界或沿孪晶界滑动,孪晶界的阻碍作用很弱. 在塑性变形过程中, 启动的滑移系属于硬模式还是软模式取决于多种因素, 如 晶体取向、孪晶界取向、受力状态以及位错滑移临界应力的相对大小.
2.3纳米孪晶的位错
卢柯 卢柯
一般说来,共格孪晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到一定程度的强 化。但是,微米或亚微米尺度的孪晶,其强化效果并不显著,只有当孪晶片层 细化至纳米量级时才开始表现出显著的强化效果和其他的特性。
纳米孪晶材料的高强度、高塑性和高加工硬化能力均源于位错与 高密度孪晶界面的有效交互作用，塑性变形时,随孪晶片层减小, 孪晶内部可塞积位错数量减少,位错穿过孪晶界所需外力提高(强 化材料)，同时,位错与孪晶界反应在孪晶界上形成大量位错(可动 或不可动)并在孪晶界上滑移、塞积、增殖,从而实现加工硬化,协 调塑性变形(韧化材料),有效提高其综合力学性能。
肖克利不全位错
2.5纳米孪晶的应力敏感性
应变速率敏感指数(m)是决定材料塑性变形的基本参量。高密度纳米 孪晶与细晶强化一样会导致材料应变速率敏感性的增加，孪晶密度 越高(或入减小)，m越高(如右图所示).当孪晶片层厚度为15nm时， 其室温m值约为0.037(比普通粗晶Cu的m值高9倍)。
m & t k
阴极：铁板 电解液：成分主要有CuSO4·5H2O, (NH4)2SO4组成
得到的孪晶铜（如下图所示），可以看出沉积层表面的大部分区域致密平整， 呈镜面般光亮的金黄色泽。
2004年4月出版的《科学》周刊上，中科院沈阳金 属研究所的卢柯课题组经过数年潜心研究发现了一 种新型纳米结构——纳米孪晶。他们在纳米孪晶铜 中获得超高强度和很高的导电率，这是在普通材料 中难以获得的性能组合。 因为传统强化技术在提高材料强度的同时均会使 材料的塑性或韧性及导电性显著下降.而纳米孪晶高 导电率的原因是：孪晶界的电阻比普通晶界的电阻 低近一个数量级,大量孪晶界的存在对电子的散射极 小。
纳米孪晶强化316L奥氏体不锈钢疲劳行为
01
02
03
合金熔炼
采用真空电弧熔炼炉熔炼 316L奥氏体不锈钢合金。
纳米孪晶制备
通过快速冷却和高温退火 处理，在316L奥氏体不锈 钢中引入纳米孪晶结构。
试样制备
将纳米孪晶结构的不锈钢 加工成所需的试样形状和 尺寸。
纳米孪晶强化试样制备
切割
将快速冷却和高温退火处 理后的316L奥氏体不锈钢 切割成小块。
备制造的发展提供新的途径。
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纳米孪晶强化对疲劳断口形貌的影响
总结词
纳米孪晶强化对316L奥氏体不锈钢疲劳 断口形貌有显著影响。
VS
详细描述
纳米孪晶强化处理后的材料，其疲劳断口 形貌表现出更加明显的塑性断裂特征，如 韧窝和撕裂棱。这表明纳米孪晶强化改善 了材料的塑性和韧性，从而提高了材料的 耐疲劳性能。
纳米孪晶强化对疲劳机制的影响
选择316L奥氏体不锈钢作为基体材料，进行常规加工处理。
2.Байду номын сангаас纳米孪晶强化处理
将316L奥氏体不锈钢与纳米孪晶强化颗粒进行复合，制备出纳米孪晶强化316L 奥氏体不锈钢材料。
材料表征
1. 显微组织观察
使用金相显微镜对纳米孪晶强化316L奥氏体不锈钢的显 微组织进行观察，分析纳米孪晶强化颗粒对基体组织的影 响。
3. 疲劳性能测试
在应力控制模式下，对纳米孪晶强化316L奥氏体不锈钢 进行疲劳性能测试，分析其疲劳寿命和S-N曲线。
2. 力学性能测试
对纳米孪晶强化316L奥氏体不锈钢进行拉伸、压缩、弯 曲等力学性能测试，评估其强度、塑性和韧性等指标。
4. 断口形貌分析
对纳米孪晶强化316L奥氏体不锈钢的断口进行观察和分 析，研究其断裂机制和失效模式。
机械原理 孪晶
机械原理孪晶机械原理中的孪晶指的是一个晶体中存在两个互相同向的晶格。
这种结构通常发生在由相同结构的晶体组成的多晶体材料中，在不同位置的晶粒中存在方向相同的晶格。
孪晶通常是由于在合金的固相变化过程中，激发了原子重新排列的形成而形成的。
在这个过程中，一些晶粒中的晶格存在同一方向上的缺陷，这些缺陷又可以通过结合进一些另一个晶粒中来消除。
这种消除过程会导致新的晶粒产生，它们之间存在着方向相同的晶格。
孪晶的形成在固相变化时起着很重要的作用，这通常是由于它们的高强度和伸缩性给材料带来了更好的性质。
在航空航天和汽车工业中，高强度材料通常都是由孪晶组成。
在材料的宏观性能中，孪晶也有着重要的作用。
由于它们的特殊构造，孪晶能够吸收大量的能量，从而在变形过程中减少了材料的应力和疲劳。
对于高强度材料的设计和制造，孪晶的理解和控制是非常重要的。
孪晶对材料的强度和伸缩性等性能有着重要的影响，在理解和控制材料的变形学和强度学过程中具有很高的价值。
除了对材料性能的影响外，孪晶还可以起到一些特殊的作用。
孪晶的存在可以影响材料的化学反应。
在孪晶处存在的原子缺陷总是吸引化学反应物质，从而引发更强烈的化学反应。
孪晶对材料的稳定性也有很大的影响。
通常情况下，孪晶是由于固相变化过程中的原子重新排列形成的。
在这个过程中，孪晶是不稳定的，因为它需要吸收能量来形成。
在材料的稳定过程中，孪晶可以起到很大的作用。
在材料的晶粒长大过程中，孪晶可以被消除，同时也可以促进晶粒长大过程中的成长取向。
最近几年来，随着纳米材料的快速发展和应用，孪晶的研究也变得越来越重要。
由于纳米材料的尺寸比宏观材料的晶粒尺寸小很多，因此纳米材料中的孪晶也在许多方面表现出了不同寻常的性质。
纳米结构中的孪晶比宏观材料中的孪晶具有更高的抗拉强度和伸缩性。
这是由于，纳米结构中相对较大的比表面积和更多的晶格缺陷导致了更大的断裂表面和更多的位错滑移。
孪晶在材料科学和工程中具有重要的地位，对于加强材料性能和改善材料的稳定性具有重要的意义。
单晶多晶非晶微晶纳米晶准晶孪晶概念剖析
要理解这几个概念，首先要理解晶体概念，以及晶粒概念。
我想学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚。
自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态（此处指一般物质，未包括“第四态”等离子体——成锡注）。
固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。
晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。
晶体共同特点：均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。
各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。
固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。
规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。
对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。
对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为：离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉菲点阵，230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。
可参考《晶体学中的对称群》一书（郭可信，王仁卉著）。
与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶，如玻璃，非晶碳。
一般，无定型就是非晶，英语叫amo rphou s，也有人叫gl ass(玻璃态）。
晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。
首先提出这个概念的是凝固理论。
从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。
晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。
多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同，而且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性，是多晶。
英文晶粒用G rain表示，注意与Par ticle是有区别的。
有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均匀程度，各个晶粒的取向关系都是很重要的组织（组织简单说就是指固体微观形貌特征）参数。
纳米孪晶金属塑性变形机制
纳米孪晶金属塑性变形机制
1.微观扩散机制：由于纳米晶界的高密度，晶界周围的原子会发生扩
散以消除应力集中，从而促进塑性变形。
在纳米孪晶材料中，由于晶界的
作用，晶内原子易于发生扩散，在晶界扩散的帮助下，材料的塑性变形能
力得到显著提高。
2.晶内滑移机制：纳米孪晶材料中的晶界不仅可以阻碍晶粒的滑移，
也可以促进晶内的滑移。
由于纳米晶材料中晶界与晶内的晶体结构存在一
定程度的不匹配，在外加应力的作用下，晶界容易发生屈服和滑移，晶界
滑移带动晶内滑移，使纳米晶材料的塑性变形能力增强。
3.残余应力机制：纳米孪晶材料的多晶晶界存在一定的残余应力，这
种应力可以促使晶界附近的晶体减小尺寸，从而增强材料的塑性变形能力。
晶界附近的晶粒在残余应力的作用下发生扭曲和变形，从而消耗应力，提
高材料的塑性。
4.动态再结晶机制：纳米孪晶金属也可以通过晶界的动态再结晶机制
实现塑性变形。
在高温条件下，晶界附近的晶粒可以发生局部再结晶，重
新排列形成新的晶粒结构，从而消除局部的应力和应变集中，增强材料的
塑性变形能力。
总结起来，纳米孪晶金属的塑性变形机制主要涉及微观扩散、晶内滑移、残余应力和动态再结晶等机制。
这些机制的相互作用使得纳米孪晶金
属具有优越的塑性变形能力，适用于高强度、高塑性变形的材料应用。
研
究纳米孪晶金属的塑性变形机制对于材料设计和工程应用具有重要意义。
晶体相场模型模拟纳米孪晶材料
(5)
x , x, k BT 2 r r t t
(6)
无量纲运动方程为
F 2 t
2 2 3 r 1
2 2
a a0 F Aeq , q0 Aeq q0 q ... a0
2
(19)
式中 a a0 a 为应变，当应变很小时，上式可改写为
1 F V 2 o 3 2
式中 V 为体积模量，表达式为
2 V 2 4 2 Aeq a0 1 2
(20)
(21)
由于是周期性状态，可以看出胡可定律关系式是自动包含在自由能内的，因此当波 长偏离平衡波长时，F 会一直增加。
V 关于 0 线性化可以得到小应变量对应的线性应力
式中
Fz V0
引言
纳 米 孪 晶 (1—100nm) 材 料 由 于 具 有 与 传 统 粗 晶 材 料 （ 平 均 晶 粒 尺 寸 d>1mm）不同的力学性质而备受关注[1]。近 10 年来，低能态共格孪晶界由于其 明显优于传统非共格界面的特殊强韧化效应而受到材料学界的广泛关注[2]。实验发 现[3]，微米或亚微米尺度的孪晶片层强化效果并不显著，但当孪晶片层厚度薄至纳 米量级时其强化效果就显著增加。位错－共格孪晶交互作用使得纳米孪晶材料具有 非常独特的结构－力学性能关系。纳米尺度共格孪晶界面不仅能够有效阻碍位错的 运动，表现出类似于传统晶界强化的效果；同时，孪晶界附近可提供丰富的位错存 储空间(不同于晶界强化)[4]， 从而保证材料足够的加工硬化与稳定塑性变形能力[5]。 事实上，孪晶的微观结构特征(如孪晶片层厚度、孪晶长度、孪晶界取向、晶体取向 等)以及外在加载方式、受力状态等均会直接影响变形过程中可启动位错类型，从而 显著影响位错与孪晶界的反应结果。 因此了解孪晶的形成与微观形变机制是必要的。 但是， 由于纳米尺度的实验存在着很大的困难， 实验上制备纳米孪晶结构不易控制， 难以获得理想的纳米孪晶层结构，目前尚无法通过实验详细地了解纳米材料的力学 性能，因此本文用晶体相场法（Phase Field Crystal ，PFC），使用 Matlab 工 具对其进行了相关模拟。
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纳米孪晶结构材料
纳米孪晶结构材料是一种新型的结构材料，它是由两种或更多种不同晶粒大小和/或晶体结构的晶粒组成的材料。
这种材料具有优异的力学性能和导电性能，并且在热稳定性和耐腐蚀性方面也表现出色。
纳米孪晶结构材料的制备方法通常包括球形晶粒共析、等轴晶粒再结晶和多晶晶粒共融等过程。
这些方法的主要挑战是如何控制晶粒大小和分布，以克服材料的晶粒长大和形变过程中产生的问题。
最近，纳米孪晶结构材料的应用领域已经不断扩大，包括新型燃料电池、太阳能电池、灵活电子器件、催化剂、传感器以及医疗诊断成像等。
随着技术的发展和不断创新，纳米孪晶结构材料将更加广泛地应用于各种领域。