氦泡分裂：金屬中一種全新的微觀(guān)損傷機制
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發(fā)布時(shí)間：2016-11-28
在國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：51471128，51231005，51321003）等資助下，西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點(diǎn)實(shí)驗室韓衛忠教授和單智偉教授借助先進(jìn)的原位納米力學(xué)技術(shù)，發(fā)現納米氦泡銅在拉伸中展現出超塑性變形能力，同時(shí)納米氦泡的伸長(cháng)、合并或分裂會(huì )最終導致整個(gè)樣品失效。該研究闡明了一種輻照缺陷影響金屬材料塑性變形的新機制，豐富了人們對金屬材料微觀(guān)損傷機理的認識。相關(guān)研究成果分別以“Nanobubble Fragmentation and Bubble-Free-Channel Shear Localization in Helium-Irradiated Submicron-Sized Copper（氦輻照下亞微米銅中的納米氣泡分裂和無(wú)氦泡通道剪切局域化）”和“Radiation-Induced Helium Nanobubbles Enhance Ductility in Submicron-Sized Single-Crystalline Copper（輻照誘發(fā)的納米氦泡增韌亞微米尺度單晶銅）”為題，在2016年11月16日的《物理評論快報》（Physical Review Letters）和2016年6月1日的《納米快報》（Nano Letters）上發(fā)表。論為鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00864和http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.215501。
處于離子或中子輻照之下的材料，如聚變反應堆第一壁材料或裂變反應堆的結構材料，均可能發(fā)生氦的產(chǎn)生和積累，并極大地改變金屬材料的微觀(guān)結構和宏觀(guān)性能。一般認為，關(guān)鍵微觀(guān)機制是氦泡的合并和長(cháng)大引起金屬部件發(fā)生過(guò)早的沿晶斷裂。然而，納米尺度氦泡如何影響金屬材料的塑性變形方式，怎樣通過(guò)多個(gè)氦泡的合并和長(cháng)大最終引起材料的失效斷裂，一直缺乏直接的實(shí)驗觀(guān)察和證據。
韓衛忠教授和單智偉教授發(fā)現，通過(guò)高溫氦離子注入在金屬銅中形成的納米尺度氦泡，不僅是位錯的可剪切障礙物，還是活躍的內部位錯源，能有效減緩位錯運動(dòng)、促進(jìn)位錯均勻形核，有利于位錯存儲和提高加工硬化能力，進(jìn)而使單晶銅產(chǎn)生更加均勻和穩定的塑性變形。含氦泡金屬的最終失效通常被認為是由氦泡的長(cháng)大和合并造成的，然而他們發(fā)現，除了氦泡合并長(cháng)大機制，氦泡分裂也是一種廣泛存在的微觀(guān)損傷形式。氦泡的分裂會(huì )在材料內部形成無(wú)氦泡通道，從而加速金屬材料的剪切局部化，進(jìn)而引起失效斷裂。
圖 位錯滑移導致的氦泡頸縮和分裂。（a）輕微伸長(cháng)的氦泡；（b）氦泡開(kāi)始頸縮；（c）位錯滑移導致在頸縮區域出現四個(gè)平直邊界，E1-E4；（d）位錯滑移導致邊界E3向右移動(dòng)；（e）進(jìn)一步位錯滑移導致邊界E2向下移動(dòng)，最終導致E1和E3中間的空間減??；（f）當局部寬度小于1nm時(shí)氦泡最終分裂。
