Nat. Mater.：微米尺度铸铝单晶线的随机塑性变形行为

【引言】

当金属材料尺寸降低到10~100μm以下时，随尺寸的减小，其强度急剧增加，塑性变形过程也不再平滑，而是以常见的自组织临界扩展特征突发进行。理解从宏观塑性方式向微观塑性方式的转变一直以来都是研究面对的巨大挑战，部分原因是大多数小尺寸金属使用完全不同于制造块状金属时使用的工艺制造。目前，可用于机械测试的小尺度金属试样的制造方法主要有：薄膜沉积法，聚焦离子束（FIB），选择性溶解等，这些方法每一种都有其优点，但都没能实现跨越从小尺度到大体积的范围尺寸塑性行为的探究。本文通过盐模渗透铸造法制造出了一种具有优异力学性能的微米级铝单晶线，并揭示了其塑性变形内在机理。

【成果简介】

近日，由来自瑞士洛桑联邦理工大学的J. Krebs教授和S. I. Rao教授为共同通讯作者领导的课题组在Nature Materials上发表了一篇名为“Cast aluminium single crystals cross the threshold from bulk to size-dependent stochastic plasticity”的文章。文中，研究人员通过盐模渗透铸造法制造出了一种微米级铝单晶线，该微米级铝单晶线具有毫米级长度，且表面光滑，呈一系列晶体取向，直径D却小至6μm。这种微米级铝单晶线以突发变形方式形变，其强度随着直径D的减小而增加。形变大于200nm的变形占线变形的约50％，并具有指数分布的强度。位错动力学模拟结果揭示了随机交叉滑移和钉锁的形成导致单臂源抑制大位移形变形成的现象解释了微米级单晶铝的作用行为。这种微型铸造技术可以扩展到其他种类的金属或合金，并且为未来探索超越微米尺度材料的机械性能提供了可能。

【图文导读】

图1. 铸造工艺和铸造铝微米单晶线

a，图像显示了可热解纤维素周围的氯化钠单晶结晶的示意图，然后烧制以制备微型铸模。

b，图像代表铸造直径在微米范围内的铝单晶线的不同铸造步骤。

c-e，通过a，b中所示的微观工艺生产的直径为19μm（c，d）和6.2μm（e），纯度为99.99％的铝单晶线的扫描图像SEM。这些线中的每一根都超过1000μm，通常为2000μm。

图2.微型铝拉伸曲线和尺寸效应

a，解析的剪切应力与直径D在13和16μm之间的微米级铝单晶线的解析的塑性剪切应变关系曲线。

b，解析的剪切应力与最初取向为单次滑移的铝单晶线的解析的塑性剪切应变的曲线，其中包括直径D从100μm到7μm以及文献中提到的宏观晶体。

c，标准立体三角形，显示a，b图中测试导线的晶体取向。

d，经剪切模量G（红点）归一化后在0.2％塑性剪切应变下测量的解析的临界剪切应力（CRSS）与除了初始方位接近（111）的测试线之外，伯格向量b的D的倒数归一化以及来自三维（3D）位错动力学模拟和单臂源模型分析的相应预测构成的曲线。模拟1和模型1假定总初始位错密度为6×10¹¹m^-2，而模拟2和模型2假定总初始位错密度约为2×10¹²m^-2。在相同的情况下，曲线中还显示了用于铸造微米级铝单晶线的块状铝的解析的临界剪切应力以及铸造宏观拉伸样品进行的抗拉强度试验的试样的解析的临界剪切应力。

图3. 解析坐标中的模拟拉伸曲线

a-d，由三维（3D）位错动力学模拟得出的解析的剪切应力与解析的剪切应变曲线的关系，该模型考虑了20×20×50 μm³（a）和6×6×50 μm³（b）位移控制下的热激活交错滑移以及由负载控制下的6×6×50 μm³（c）和6×6×50μm³，沿（001）取向，300K下交叉滑移（负载控制下）和没有交叉滑移（位移控制， 剪切应变为0.005，并且从负载控制下的该点开始）(d)。该模拟过程是在假设初始总位错密度约为6×10¹¹m ^-2下进行的模拟。

图4. 变形铸铝微米级单晶线上的滑移过程及拉伸后的形貌SEM

a，显示的是沿一个主要滑移体系滑移后留下明显滑痕的铸铝单晶，其直径为110 μm。

b，由一定滑移体系剪切变形后形成的沿（110）初始晶粒取向的铸铝线，其直径为19μm。

c，当初始方向接近（001）-（111）边界线时，来自第二滑移体系的滑移过程变得越来越明显，直到两个体系在试样方向沿着该线均匀分布时。

d，直径为15μm的铸铝线，其晶粒取向接近（111）：这样的线材显示出来自两个或三个等很少的不同滑移体系的小滑移过程。

e，7μm直径的铸铝线在小于10％塑性应变下失效的; 它主要通过一个体系的滑移变形，然后在一个高度局部化区域的滑动失效。

图5. 位移变形尺寸及其潜在机制

a-c，是具有较大位移变形尺寸的互补累积分布函数，位移变形尺寸以滑移方向滑移距离表示：18-20μm直径（a），13-15μm直径的数据分布（b）和6-7μm直径（c）线以半对数坐标绘制。

d，在这里研究的三个尺寸范围内的铸铝线，β^-1与施密德因子（Schmid factor）对交叉滑移平面（CP）与滑行平面（GP）构成的曲线关系。
E-f，e：t = 32s时，在6μm宽的呈（001）取向的晶体中通过位错动力学模拟捕获的单臂源停止；f: t = 33s时, 在一个末端固定的旋转单臂位错源连续滑动产生大量滑移，滑移停止并形成第二个钉扎点和沿着臂长的交叉滑移平面上的留下的滑移段。

【小结】

本文通过使用盐模渗透铸造法这一新颖方法制造出一系列直径D小于6μm的长度却很长（毫米级）的微米尺度铸铝单晶试样。这种微米尺度铝单晶线以突发变形方式形变，其强度随着直径D的减小而增加。形变大于200nm的变形占线变形的约50％，并具有指数分布的强度。位错动力学模拟结果揭示了随机交叉滑移和钉锁的形成导致单臂源抑制大位移形变的形成现象揭示了微米级单晶铝的作用行为，即尺寸的倒数（1 / D）和可塑性由大位移变形控制，而独立于多重滑移。位错动力学模拟结果表明晶粒尺寸大小和变形与单臂源的作用行为有关，即单臂源的停止与交叉滑移相关。遗憾的是位错动力学模拟仍不能处理大尺寸的类似宏观试样; 然而，一旦大尺寸位错动力学模拟成为可能，在实验的基础上，伴随模拟计算，从而实现金属铸造在微观和宏观上的紧密结合。总之，这种微型铸造技术对未来探索超越微米尺度材料的机械性能提供了新的可能。

文献链接：Cast aluminium single crystals cross the threshold from bulk to size-dependent stochastic plasticity   (Nature Material, 2017, DOI: 10.1038/nmat4911)

本文由材料人编辑部金属材料学术组彭黄涛供稿，材料牛编辑整理。欢迎加入材料人编辑部金属材料学术交流群（458281221）！
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