微量轻元素对若干典型金属薄膜的力学性能调控

发布时间：2020-09-18 06:48

　　金属材料由于其本征优异的延展性和简便的加工过程,在国防、工业、电子信息等各个领域,都占据着明显的性价比优势和广阔的发展前景。随着航空航天、能源工业等行业的迅速发展,我们逐渐产生了对金属材料的新需求和新技术。特别是对于关键部件的使用寿命问题,科研工作者倾向于研究包括硬度和韧性在内的力学性能,因为两者都是影响材料是否发生灾难性失效的重要物理量。然而,硬度和韧性通常为一对矛盾体,即高的硬度往往伴随着高的脆性(差的断裂韧性)。因此,解决硬度-韧性矛盾并实现材料综合性能的提高极具挑战,但意义重大。已经报道的改性金属的手段中,可以通过金属大原子合金化达到增强增韧的目的,但是这种强化作用并不显著。针对以上问题,本论文从另一个角度出发,基于若干典型的金属材料(第六副族过渡金属、轻金属Mg和导电性Cu金属),运用非平衡的磁控共溅射技术,巧妙地将轻元素(B和C)引入到金属薄膜中进行改性。结果表明,通过小原子B掺杂到金属W晶格中,可诱导大幅度的晶粒细化和固溶强化,达到硬度和韧性的同时提高,与相应的纯金属薄膜相比,其硬度提高了两倍以上。进一步,我们探究了这种含有小原子的金属薄膜的摩擦学行为,并揭示了既硬又韧的薄膜材料能够同时表现出优异的摩擦学性能。我们随即借助不同的金属-小原子体系,如W-B、Mo-B和Cr-C,提出了这种强韧化效应的普适性。相比于传统含有金属重原子的合金材料,小原子掺杂形成的固溶体结构能够诱导更大程度的晶格扭曲,进而最大程度上发挥固溶强化作用。同时,诱导的细晶粒也可以起到明显的韧化效果。更重要的是,基于非平衡的溅射方法,我们可实现在金属晶格中相比于平衡态更大的杂质固溶度,即有望获得过饱和固溶体结构,促进强韧化作用。针对轻质Mg金属材料,我们通过引入微量的B原子(6.6at.%)构建了超细的Mg(B)间隙固溶晶粒(直径~5 nm)嵌入到薄的非晶基质(~2nm厚)的特殊纳米结构,实现了近四倍提高的硬度,同时Mg金属本征的延展性得以保留。另一方面,我们还考虑了金属和小原子不相容的情况,对典型的导电Cu金属薄膜进行了不同B含量的掺杂改性研究。结果表明,通过更大浓度的B原子引入,我们设计并合成了超细的Cu(B)间隙固溶体晶粒(直径~5 nm)嵌入到湍流状B基质的特殊微结构。这种结构能够结合两相的优势,充分发挥强化效果,使Cu金属展现类陶瓷的高硬度(~10.3 GPa,比纯Cu高三倍)和优异的耐磨损性能,同时,该结构保持了Cu本征的金属延展性和高的弹性回复。更神奇的是,该结构对Cu的导电性基本无影响,使其成为高强且高导电的Cu材料。我们相信,本论文的发现为开发新型的高性能且多功能的金属基合金材料提供了一条新思路。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TG174.4
【部分图文】：

对比图,高分子复合材料,碳纤维材料,陶瓷材料

吉林大学硕士学位论文度（强度/重量比）的限制。虽然有些金属（如过渡族金属）具有相对度和刚度，但是因为它们的密度较大（如钢的密度几倍高于陶瓷和聚合其强度/重量比（刚度/重量比）明显低于其他材料（图 1.1）。考虑到重对于飞机和体育器材等应用也很重要，这导致了在一些特殊用材方面取代了金属。有些金属如 Al 和 Mg 的重量很轻，但它们太软，以至于多需要高强度的应用场合。除此之外，考虑到结构材料在应用过程中摩擦和磨损现象，金属相比于陶瓷材料，具有本征低的硬度，因而极过程中发生磨损。而基于摩擦过程中生成的金属氧化物又极易导致高数，这些都将增加设备运行的能耗，无形中增加生产成本。以上种种成为限制金属材料更广泛应用的主要瓶颈。

载荷-位移曲线,位错,晶界

图 1.2 典型的载荷-位移曲线[4]Figure 1.2 Typical load displacement curve[4].化机制的提高往往是通过向结构中引入阻碍位错及晶界运动的属样品来说，目前提出的主要的强化机制可分为以下强化材料的塑性变形往往产生于位错的萌生和运动，而位错位错源。在外加应力作用下，这种位错会在晶体内部发阻碍位错运动的障碍物才会停止。而在晶体内部，晶界是存在错配度大的原子排列，能够形成一定的应力场阻碍久之，晶界处便会塞积大量的位错，称为位错的钉扎效

文献数据,金属Cu,晶粒尺寸,强度

图 1.3 金属 Cu 的强度随晶粒尺寸变化的文献数据汇总[17]igure 1.3 Summary of literature data of the Cu strength variationfollowing grain size[17].ll-Petch 强化机制早在 1950 年就被提出来了[18]。对于该强化机制，用于软质的金属材料中，如图 1.3 所示，Dao 等人[17]汇总了关于金属拉伸屈服强度，σy）随晶粒尺寸d变化的文献数据，而拟合出了Hall-，事实证明，Cu 材料的强度基本上随着晶粒尺寸的减小而呈现逐渐。该强化效应同样出现在其他的金属材料体系，如 Al 合金[19, 20]、MTiAlV 合金[23]和 CoCrFeMnNi 合金[24]等。界强化管 Hall-Petch 效应能够在一定程度上提高材料的硬度和强度，但有证明，该定理只能够在较粗晶粒的材料（晶粒尺寸>~30 nm）中发

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