探秘镍微柱：高应变率下的变形与绝热加热奥秘

为探究材料在高应变率下的变形行为及绝热加热影响，研究人员开展单晶和纳米晶镍微柱压缩实验。结果发现二者变形机制不同，应变率敏感性指数变化有差异，还估算出绝热加热升温幅度。该研究为理解材料力学性能提供依据。

　　在材料科学的领域中，材料在高应变率下的表现一直是科学家们关注的焦点。在汽车碰撞测试、航空航天等众多工程应用场景里，材料常常会遭受冲击载荷，此时其在高应变率下的机械响应就显得尤为关键。以往的宏观尺度高应变率测试，虽然能获取一些信息，但存在诸多局限性。比如，传统的测试方法只能提供材料微观结构的平均响应，无法单独探究晶粒各向异性和晶界的影响。而且，随着材料不断向小型化发展，像薄膜和微机电系统（MEMS）等，评估它们在高应变率下的抗冲击性和耐撞性变得愈发重要，然而现有的测试技术却难以满足这一需求。

在这样的背景下，来自国外的研究人员决定开展一项深入研究。他们选择了具有面心立方（fcc）结构的镍（Ni）作为研究对象，因为镍有单晶（sx）和纳米晶（nc）两种形式，便于系统研究其变形行为。研究人员通过一系列实验和分析，得出了许多有价值的结论，这些成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上。

研究人员开展的主要关键技术方法包括：利用聚焦离子束（FIB）铣削技术制备微柱样品，通过扫描电子显微镜（SEM）原位压缩实验观察微柱变形行为，运用晶体塑性有限元（CP-FE）建模估算绝热加热，以及采用透射菊池衍射（TKD）分析纳米晶镍微柱压缩后的微观结构变化。

研究结果

1. 应变率对屈服强度的影响
   • 单晶镍（sx Ni）：在微柱压缩实验中，sx Ni 呈现出典型的锯齿状塑性变形响应，这是由于位错雪崩导致的。在测试的应变率范围内（10^-3 s^-1 - 10² s^-1），其屈服强度在 100 - 200 MPa 之间。随着应变率增加，sx Ni 的硬化行为增强，这表明位错 - 位错相互作用增多，可能形成了位错亚结构。通过计算应变率敏感性指数（m）发现，在准静态应变率（QSR，10^-3 - 1 s^-1）下，m_QSR为 0.001，而在高应变率（HSR，1 - 10² s^-1）下，m_HSR显著提高到 0.03，整体 m 值为 0.011。从变形后的图像来看，sx Ni 在不同应变率下的滑移模式没有明显差异，主要滑移面为 {111}<110 > 型，但应变率的提高改变了应变率敏感性指数。
   • 纳米晶镍（nc Ni）：nc Ni 的屈服强度约为 sx Ni 的 15 倍，这得益于 Hall-Petch 强化效应。与 sx Ni 不同，nc Ni 的硬化行为在所有应变率下都较为恒定，这是因为纳米晶粒难以容纳多个位错。在 QSR regime，nc Ni 的应变率敏感性比 sx Ni 更明显，m_QSR为 0.018。但在应变率大于 1 s^-1时，m_HSR降至 0.008，整体 m 值为 0.011。从变形后的图像可以看出，nc Ni 在 QSR regime 变形较为均匀，主要是晶界滑动；而在高应变率下，变形更加局部化，这可能是导致屈服强度饱和以及应变率敏感性指数降低的主要原因。
   
   
2. 高应变率下的绝热热演化
   • 单晶镍（sx Ni）：通过 CP-FE 模型模拟发现，在高应变率下，模型预测的应力 - 应变行为与实验结果较为吻合。在假设完全绝热条件（β = 0.9）下，模拟得到 sx Ni 微柱内的最大温度升高约为 20 K，同时观察到轴向位错密度局部化。这表明在没有明显滑移带形成时，绝热加热导致的温度升高并不显著。
   • 纳米晶镍（nc Ni）：利用 CP-FE 模型对含有约 200 个晶粒、晶粒尺寸约为 30 nm 的多晶镍微观结构进行模拟，预测在应变率为 10³ s^-1、β = 0.9 时，nc Ni 会有显著的温度升高，部分区域温度升高范围在 30 - 170 K，在晶界附近的热点区域，峰值温度超过 200 K。不过，由于模型未考虑实验中观察到的广泛晶界滑动，实际温度可能会更低。通过 TKD 分析发现，在 10³ s^-1压缩的 nc Ni 微柱中，未发现明显的晶粒生长，这表明晶界处的局部绝热加热不足以引起显著的微观结构变化。
   
   

研究结论与讨论

该研究通过对 sx 和 nc Ni 在 10^-3 s^-1 - 10³ s^-1应变率范围内的微柱压缩实验，详细研究了它们的变形行为和绝热加热情况。研究发现，sx Ni 主要通过位错滑移变形，而 nc Ni 则表现出晶界辅助的位错塑性和广泛的晶界滑动。虽然二者的整体应变率敏感性指数相同，但在高应变率下，sx Ni 的应变率敏感性增强，nc Ni 则降低。CP-FE 模拟显示，nc Ni 在高应变率下晶界附近会出现显著的温度升高，但 TKD 分析表明这种加热并未导致明显的晶粒生长。

这项研究首次将综合 CP-FE 建模应用于金属高应变率微柱压缩实验，为研究高应变率下的绝热加热相关温度升高提供了重要参考。同时，研究结果也表明，对于具有中高熔点的金属，在微柱压缩实验中，绝热加热可能不是主要问题。这一研究成果对于深入理解材料在高应变率下的力学性能、优化材料设计以及指导工程应用具有重要意义，为后续相关领域的研究奠定了坚实基础。