纳米材料的力学性能.ppt

3.1纳米材料的力学性能3.1.1纳米材料的晶界及缺陷纳米材料的晶界及缺陷45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。

:晶界的厚度，通常包括2～3个原子间距。：晶粒的直径：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％。晶粒/nm
晶界厚度/nm
晶粒个数/2×2×2m3
晶界体积分数/％晶界厚度与晶界体积分数的关系91011要用一种模型统一纳米材料
晶界的原子结构是十分困难的。
尽管如此，还是可以认为纳米
材料的晶界与普通粗晶的晶界
结构无本质上的区别。纳米材
料晶界的原子结构平面示意图
可用左图来表示，图中实心图
表示晶粒内的原子，空心图表
明晶界处的原子。
纳米晶界结构特点
尽管纳米晶的晶界原子结构与粗晶的无本质区别，然而它们还具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：
晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积（ExcessVolume）；
低的配位数和密度；
大的原子均方间距；
存在三叉晶界；
晶界相对配位数与原子间距的关系16晶粒直径对晶间、晶界、和三叉晶界体积分数的影响
18纳米固体材料的结构缺陷有三种类型：
点缺陷（空位、空位对、空位团、溶质原子、杂质原子等）、属于0维缺陷。
线缺陷（刃型位错、螺型位错、混合型位错等）、属于1维缺陷
面缺陷（层错、相界、晶界、三叉晶界、孪晶界等）、属于2维缺陷。2021位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，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。2324金属纳米晶粒内位错稳定存在的特征长度纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系
由于位错在材料科学研究中占有极其重要的地位，金属材料的强度、塑性、断裂等理论都是建立在位错等缺陷的基础上，因此，弄清纳米材料的位错与晶粒大小的关系是十分重要的。Coch总结了在纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系，认为：
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。
当晶粒尺寸小于50nm时可认为基本上没有位错行为。
当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。
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。
3.1.2纳米材料力学性能概述纳米材料力学性能概述有些结论不正确纳米材料孔隙率和弹性模量的关系弹性模量modulusofelasticity：又称弹性系数，杨氏模量。弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质。
定义为：理想材料在小形变时应力与相应的应变之比。表征材料抵抗弹性变形的能力，其数值大小反映该材料弹性变形的难易程度，用E表示。其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。
弹性模量E:是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。弹性模量的实质晶粒尺寸对弹性模量的影响材料结论：1997年以前关于Ag、Cu、Pd纳米晶
样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因
是材料的密度偏低引起的！错误的实验导致美好的幻想
Karch等人1987年观察到纳米CaF2在80℃和TiO2在180℃下压缩具有明显塑性，使那些为陶瓷增韧奋斗了将近一个世纪的材料科学界看到了希望，认为纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。然而，Coch指出CaF2、TiO2的这些试验结果是不能重复的，试样的多孔隙性造成了这些材料具有明显的塑性，尚未获得纳米材料室温超塑性的实例。Hall-Patch公式－硬度与晶粒尺寸的关系硬度表示，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。实际实验结果：
随着晶粒尺寸减小
k>0，材料的硬度升高，如Fe等
k<0，材料的硬度降低，如Ni-P等合金
k>0→k<0，硬度先升高后降低，如Ni、Fe-Si-B和TiAl等合金
k=0，硬度不发生变化。
异常的Hall-Petch关系的客观原因：
试样的制备和处理方法不同。这必将影响试样的原子结构特别是界面原子结构和自由能的不同从而导致试验结果的不同。特别是前期研究中样品的孔隙度较大，密度较低，缺陷较多，造成实验结果的不确定性和不可比性。
实验和测量方法所造成的误差。前期研究多用在小块体试样上测量出的显微硬度值Hv来代替大块体试样的，很少有真正的拉伸试