层状金属结构材料原子尺度界面结构与性能
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层状多级分布304ss组织结构与力学性能研究
层状多级分布304ss组织结构与力学性能研究超细晶材料因其在材料中不需另外添加合金元素、高洁净、回收再利用简单而成为新世纪先进结构材料的重要研发方向。
超细晶金属材料的强度远高于同成分粗晶材料,但其塑性随晶粒的减小而降低,甚至出现了由塑性转变为脆性的变化。
许多研究结果都表明塑性恶化或许是纳米晶材料的本征特点,这对结构材料的应用非常不利。
因此,设计和发展出一种既具有高强度又能保持良好塑性的细晶材料是当前所面临的巨大挑战。
目前,对不同制备方法获得的超细晶材料的组织结构和细化机制已有阐述,但对超细晶材料进一步塑性变形后的组织结构和细化机制尚少有报道。
为实现高强高塑的良好结合,本文采用共温轧(warm co-rolling)表面机械研磨处理(SMAT)后的304ss,制备出一种纳米晶层、亚微米晶层和微米晶层呈周期性分布的层状纳米结构钢(layered nanostructural steel,LaNa),它具有双相多尺度晶粒分布的微观组织结构。
重点研究了层状纳米结构钢的微观组织结构和力学性能及断裂机制。
利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段系统表征组织结构;采用常温拉伸试验机、维氏显微硬度计测试材料的力学性能。
取得如下结果:层状纳米结构304ss具有纳米晶层、亚微米晶层和微米晶层呈周期性分布特征,由多尺度晶粒分布的奥氏体、马氏体双相组织组成。
随着从表面到界面处的深度增加,由等轴、随机取向的纳米晶层逐渐过渡到亚微米晶层,晶粒细化逐渐变得不均匀,再梯度过渡到以亚晶/位错胞/位错为主要组织结构的微米晶层。
40%轧下量时,纳米晶/超细晶层体积分数约为33%,孪晶层约占33%。
而50%轧下量时,纳米晶/超细晶层体积分数约为60%,晶粒细化明显。
温轧变形的晶粒细化机制为位错分割机制、动态回复和再结晶以及γ/α′逆相变机制。
层状纳米结构304ss实现了良好的高强高塑结合,屈服强度为700 MPa～950 MPa,抗拉强度930 MPa～1000 MPa,断裂延伸率为30%～50%,且均匀延伸率最高可达42%。
锂电池钴酸锂正极材料中的孪晶界引发的裂纹失效
锂电池钴酸锂正极材料中的孪晶界引发的裂纹失效一、引言随着科技的不断进步和人们对高性能电池日益增长的需求，锂离子电池作为一种高效能量存储系统，在电动汽车、便携式电子设备等领域得到了广泛应用。
钴酸锂（LiCoO₂）由于其高能量密度、稳定的电压平台和良好的循环性能，成为商业锂离子电池中最常用的正极材料之一。
然而，在实际应用中，钴酸锂正极材料往往面临着裂纹失效的问题，这种失效模式与材料内部的孪晶界有着密切的关系。
二、钴酸锂正极材料的基本结构与性质钴酸锂具有层状结构，属于α-NaFeO₂型层状岩盐结构。
在这种结构中，氧离子以立方密堆积的方式排列，锂离子和钴离子交替占据氧离子八面体空隙位置。
这种层状结构为锂离子的嵌入和脱出提供了二维通道，使得钴酸锂具有较高的锂离子扩散系数和良好的电化学性能。
然而，钴酸锂正极材料在制备过程中容易形成孪晶界。
孪晶界是指两个晶体部分以特定的取向关系相互连接而形成的界面。
在钴酸锂中，孪晶界通常是由于材料生长过程中的应力释放或晶格错配而产生的。
这些孪晶界对材料的力学性能和电化学性能有着重要的影响。
三、孪晶界对钴酸锂正极材料裂纹失效的影响1. 孪晶界作为裂纹萌生源孪晶界由于其特殊的结构和能量状态，往往成为裂纹萌生的优先位置。
在充放电过程中，由于锂离子在正极材料中的嵌入和脱出，会引起材料体积的变化，从而在孪晶界处产生应力集中。
当应力超过材料的承受极限时，裂纹就会在孪晶界处萌生并扩展，导致材料的失效。
2. 孪晶界对裂纹扩展的影响孪晶界不仅作为裂纹萌生的源头，还会影响裂纹的扩展路径和速率。
由于孪晶界两侧晶体的取向不同，裂纹在扩展过程中会遇到不同的阻力。
这使得裂纹在孪晶界处的扩展行为变得复杂且难以预测。
在一些情况下，孪晶界可能会阻碍裂纹的扩展，从而提高材料的断裂韧性；而在另一些情况下，孪晶界可能会促进裂纹的扩展，加速材料的失效过程。
四、改善钴酸锂正极材料裂纹失效的策略1. 优化制备工艺通过优化制备工艺，如控制烧结温度、气氛和时间等参数，可以减少钴酸锂正极材料中的孪晶界数量。
材料的组成结构性能与应用之间的关系
材料的组成结构性能与应用之间的关系一、前言材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。
是人类赖以生存和发展的物质基础。
20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。
由于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。
二、材料的分类与组成2.1从物理化学属性来分材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。
金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。
在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。
具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。
这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
底盘常用金属材料结构机械性能分析
底盘常用金属材料结构机械性能分析董文亮（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 ７３３００６）摘 要：为提高底盘常用金属材料结构机械性能，分析底盘常用金属材料结构机械性能，通过分析等温淬火球铁材料力学性能，掌握等温淬火球铁材料的力学性能，得出，ＱＴＤ９００－８（ＡＤＩ）与ＱＴＤ１０５１０－６（ＡＤＩ）力学性能最佳。
在此基础上，分析底盘铝合金材料性能，通过物理性能以及化学性能两部分，得出影响底盘铝合金材料抗腐蚀性能的关键参数，为提高底盘铝合金材料抗腐蚀性能提供专业指导。
关键词：底盘；金属材料；结构；机械性能中图分类号：ＴＰ３４３．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）２０－０２２１－２Mechanical performance analysis of common metal material structure for chassisDONG Wen-liang（Ｇａｎｓｕ Ａｎｉｍａｌ Ｈｕｓｂａｎｄｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｕｗｅｉ ７３３００６，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｃｈａｓｓｉｓ， ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｃｈａｓｓｉｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｑｕｅｎｃｈｅｄ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ， ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｑｕｅｎｃｈｅｄ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｍａｓｔｅｒｅｄ． Ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｑｔｄ９００－８ （ＡＤＩ） ａｎｄ ｑｔｄ１０５１０－６ （ＡＤＩ） ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ． Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ， ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｈａｓｓｉｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｈａｓｓｉｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｈａｓｓｉｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Keywords: ｃｈａｓｓｉｓ； ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ底盘作为汽车构造中最主要的组成部分，底盘常用金属材料结构质量直接决定了底盘的质量[1]。
《三维层界面Al-Mg-Al复合板材的制备、显微组织与力学性能》
《三维层界面Al-Mg-Al复合板材的制备、显微组织与力学性能》三维层界面Al-Mg-Al复合板材的制备、显微组织与力学性能摘要本文致力于探讨三维层界面Al/Mg/Al复合板材的制备技术，详细解析其显微组织特征及力学性能。
通过科学实验与数据解析，对制备过程、组织结构和性能表现进行了系统的阐述和分析，旨在为同类材料的制备及性能优化提供理论支持和实验依据。
一、引言随着材料科学的发展，多层复合材料因其优异的力学性能和多样化的应用领域受到广泛关注。
铝（Al）与镁（Mg）作为常见的金属材料，其复合板材具有轻质、高强、耐腐蚀等特性，在航空、汽车及电子等领域有着广泛的应用前景。
本文以Al/Mg/Al复合板材为研究对象，重点探讨其三维层界面的制备技术、显微组织及力学性能。
二、制备技术1. 材料选择与准备本实验选用的原材料为高纯度铝（Al）和镁（Mg）板材。
在制备前，需对原材料进行严格的表面处理和尺寸控制，以确保复合板材的质量。
2. 制备工艺采用热轧法制备Al/Mg/Al复合板材。
首先将铝、镁板材按预设比例堆叠，经过高温轧制、冷却和退火等工艺流程，最终得到三维层界面的复合板材。
三、显微组织分析1. 显微组织观察通过光学显微镜和电子显微镜对复合板材的显微组织进行观察。
结果表明，铝和镁板材在高温轧制过程中形成了紧密结合的三维层状结构，各层间界面清晰，无明显缺陷。
2. 相结构分析X射线衍射技术表明，在Al/Mg界面处形成了少量的金属间化合物，这有助于增强两金属之间的结合强度。
同时，大部分区域保持了原金属的相结构，确保了材料的优良性能。
四、力学性能研究1. 硬度测试通过对复合板材进行硬度测试发现，其硬度较单一金属有所提高，且硬度分布与显微组织相一致，呈现出明显的层状分布特点。
2. 拉伸性能测试拉伸试验结果表明，Al/Mg/Al复合板材具有较好的延伸率和抗拉强度。
这主要得益于铝和镁的优异性能以及两者之间良好的结合。
3. 疲劳性能与冲击韧性经疲劳试验和冲击试验发现，该复合板材具有较好的疲劳性能和冲击韧性，显示出其在实际应用中的优越性。
材料概论材料的组成、结构与性能各...
材料概论材料的组成、结构与性能各种材料金属、高分子和无机非金属不论其形状大小如何,其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。
材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：第二章材料的组成、结构与性能2.1 材料的组成2.2 材料的结构2.3 材料的性能只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目的、有选择地制备和使用选用材料。
化学组成工艺过程本征性能显微结构材料性能2.1 材料的组成材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由≥1种元素组成的。
按原子or分子的结合与结构分布状态的不同，可分成3类：第二章材料的组成、结构与性能组元、相和组织固溶体聚集体复合体2.1.2 材料的化学组成2.1.1 材料组元的结合形式固溶体、聚集体和复合体第二章材料的组成、结构与性能材料的组元:金属材料多为纯元素，如普通碳钢? Fe&C；陶瓷材料多为化合物，如Y2O3?ZrO2 ?Y2O3&ZrO2组成材料最基本、独立的物质，或称组分。
可以是纯元素or稳定化合物。
相: 具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分。
1?m图2-150%ZrO2/Al2O3复合材料的SEM照片* 相与相之间有明显的分界面，可用机械的方法将其分离开。
第二章材料的组成、结构与性能ZrO2Al2O3*各晶粒间有界面隔开，但它们是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的材料，仍属于同一相。
*在相界面上，性质的改变是突变的。
*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有1种物质。
例如：纯金属是单相材料，钢非纯金属在室温下由铁素体含碳的??Fe和渗碳体Fe3C为化合物组成；普通陶瓷：由晶相1种/几种与非晶相玻璃相组成。
*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，则它们属于几种不同的相。
材料的组织第二章材料的组成、结构与性能材料内部的微观形貌。
实际上是指由各个晶粒or各种相所形成的图案。
《三维层界面Al-Mg-Al复合板材的制备、显微组织与力学性能》
《三维层界面Al-Mg-Al复合板材的制备、显微组织与力学性能》三维层界面Al-Mg-Al复合板材的制备、显微组织与力学性能一、引言随着现代工业技术的飞速发展，金属复合材料因其独特的物理和机械性能，在航空航天、汽车制造、电子信息等领域得到了广泛应用。
其中，Al/Mg/Al复合板材作为一种典型的金属层状复合材料，因其良好的力学性能和加工性能，成为了材料科学领域的研究热点。
本文将详细探讨三维层界面Al/Mg/Al复合板材的制备工艺、显微组织以及其力学性能。
二、制备工艺1. 材料选择与准备Al/Mg/Al复合板材的制备主要选用了纯度较高的铝（Al）和镁（Mg）金属材料。
材料经过严格的检验和预处理，以确保其纯度和表面质量。
2. 制备方法采用真空热压法进行制备。
该方法通过在真空环境中施加高温高压，使金属材料在高温高压下紧密结合，形成具有三维层界面的复合板材。
3. 制备过程（1）将预处理后的铝（Al）和镁（Mg）金属材料按照设计好的层状结构叠放；（2）将叠放好的金属材料放入真空热压炉中，进行真空处理；（3）在设定的温度和压力下进行热压处理，使金属材料紧密结合；（4）冷却至室温后取出，得到三维层界面Al/Mg/Al复合板材。
三、显微组织通过光学显微镜、电子显微镜等手段对制备得到的Al/Mg/Al 复合板材进行显微组织观察。
结果显示，该复合板材具有明显的层状结构，各金属层之间结合紧密，无明显的界面反应和孔洞缺陷。
铝层和镁层之间通过高温高压的作用形成了牢固的冶金结合。
四、力学性能通过对三维层界面Al/Mg/Al复合板材进行拉伸、弯曲等力学性能测试，得到了其力学性能参数。
测试结果表明，该复合板材具有较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率。
同时，其弯曲性能也表现出色，显示出良好的加工性能。
此外，该复合板材还具有较好的冲击韧性和耐磨性能。
五、分析与讨论在分析制备过程中，发现真空热压法可以有效地避免金属材料在高温高压下的氧化和污染，从而保证了复合板材的纯度和质量。
纯锡在铝—钢层状复合材料上的润湿行为及界面结构
623K、673K及723K时正视方向最终接触角分别为59°、35°与 32°,而侧视方向的铺展受到抑制。体系铺展过程中Al层界面的 溶解不仅改变了熔体的表面张力,且溶质Al与复合界面中的Fe发 生反应并形成Fe<sub>2</sub>Al<sub>5</sub>。
整个实验中得到的最终接触角均不满足Cassie方程,通过计算得 到不同温度下的表面张力,将Naidich模型与表面张力耦合后得 到修正后的Naidich模型能够较好地符合实验结果。最后,利用 Fluent流体动力学软件对流体在复合界面上的铺展进行数值模 拟,得到的模拟结果验证了实验结果。
Байду номын сангаас
首先,研究了623K-723K高真空条件下纯Sn在Q235钢与纯Al基板 表面的润湿行为（即典型的反应润湿与溶解润湿体系）并分析 了界面结构。研究表明:Sn在钢表面的最终接触角受温度影响较 小,为<sup>3</sup>9°;界面上有金属间化合物（Fe Sn,Fe Sn<sub>2</sub>）生成,三相线处有前驱膜的出现,铺展机制为 反应过程中生成的金属间化合物破除了基板表面的氧化膜促进 铺展。
然而利用钎焊方法连接层状复合材料,钎料要与被连接材料有较 好的润湿性（即θ <sub>f</sub><90°）。因此,本课题通过 研究熔体锡在纯铝、Q235钢及铝-钢层状复合材料上的润湿行为, 探讨润湿体系中复合界面与界面反应耦合时对其最终润湿性的 影响,研究内容不仅可对金属层状复合材料的钎焊连接提供理论 指导,也可丰富冶金熔体在异质表面的反应润湿理论。
纯锡在铝—钢层状复合材料上的润湿 行为及界面结构
层状材料的结构与电化学性能关系研究
层状材料的结构与电化学性能关系研究在当代科学技术的发展中，层状材料因其独特的结构与性能引起了广泛的关注。
层状材料是由一层一层排列组合而成的结构，像是由许多薄薄的砖块构成的墙壁。
这种结构使得层状材料具有优异的电化学性能，使其在能源领域、储能设备等方面具有很大的应用潜力。
首先，层状材料的结构特点决定了其优越的电化学性能。
以石墨烯为例，它是由碳原子构成的六边形晶格结构。
石墨烯具有高度的平面度和巨大的比表面积，这使得它在电化学反应中具有更多的活性位点和更高的反应速率。
此外，石墨烯的结构还赋予了它良好的导电性和电子传导性能，使其在电池、超级电容器等设备中具有优异的导电性能。
其次，层状材料的电化学性能与其结构的调控密切相关。
通过控制层状材料的层数、间隙和结构等参数，可以调节其电化学性能。
例如，石墨烯的导电性能可以通过控制其层数来改善。
研究表明，单层石墨烯的导电性能优于多层石墨烯，这是因为在多层石墨烯中，层间相互作用会导致电子的散射和传输受阻，而在单层石墨烯中这种相互作用较小，电子传输更加顺畅。
此外，通过在层状材料中引入其他元素或分子，也可以改变其电化学性能。
例如，在石墨烯中引入掺杂原子可以调节其导电性能和化学活性，提高其在电化学储能设备中的应用性能。
另外，层状材料与电化学性能的关系研究还涉及到界面效应的探究。
层状材料常常是电化学设备中的电极材料，与其他材料之间形成界面。
研究表明，界面结构和相互作用对电化学性能具有重要影响。
例如，石墨烯与电解液之间的界面结构对电池循环稳定性和容量保持率起着重要作用。
通过调控界面结构、引入合适的界面材料，可以优化层状材料与电解液之间的相互作用，提高电化学性能。
总的来说，层状材料的结构与电化学性能之间存在着密切的关系。
通过研究层状材料的结构特点、结构调控和界面效应等方面，可以实现对其电化学性能的控制和优化。
这对于开发高性能的电化学储能设备和能源转换器件具有重要意义，将能够推动能源技术的发展，为构建清洁、可持续的能源体系提供有力支持。
材料表面与界面的物理与化学性质研究
材料表面与界面的物理与化学性质研究材料表面与界面的物理与化学性质一直以来都是材料科学研究的重要方向，其研究不仅有助于深入了解材料的结构与性能之间的关系，还能为材料的设计和应用提供有力的支持。
本文将就这一主题展开讨论，从介观尺度的物理与化学性质入手，分析材料表面与界面的特点和研究方法。
一、表面与界面的介观尺度特征材料的表面和界面通常被视为材料结构的特殊区域，在微观尺度上具有与体相不同的特征。
一方面，材料表面具有较高的比表面积，这使得它们在许多材料的物理和化学过程中起着至关重要的作用。
另一方面，材料界面是材料间相互作用的平台，其特性直接影响材料的宏观性能。
因此，深入研究材料表面与界面的物理与化学性质具有重要的科学和应用价值。
表面和界面的特征主要包括表面形貌、表面能、界面结构、界面能等。
表面形貌直接反映了材料表面的细节结构，不同的形貌将导致不同的表面性能。
表面能反映了表面原子与周围环境的相互作用强度，它决定材料表面的润湿性、粘附性等特性。
界面结构是指两个不同材料之间的交界面，根据不同的材料特性和界面条件，界面结构可以发生不同的变化。
界面能主要研究材料界面的能量状态和热力学特性，对于材料的粘接、分离等过程有重要影响。
二、材料表面与界面性质研究方法在研究材料表面与界面的物理与化学性质时，科学家们尝试了多种研究方法，其中一些方法也适用于表征材料的界面结构。
下面介绍几种常用的研究方法。
1. 表面分析技术：表面分析技术包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）等。
这些技术能够观察材料的表面形貌和表面原子级别的化学状态，从而得到表面的物理和化学信息。
2. 界面能测量：界面能测量是研究界面物理性质的重要手段，主要通过接触角测量和界面力学测试来实现。
接触角测量可以定量表征材料的润湿性和界面能，在微纳尺度上研究材料的表面能。
界面力学测试可以测量材料界面的拉伸、剪切等力学性能，对于材料的界面粘附等过程具有重要意义。
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1 Cu-Nb 复合材料的界面结构
1. 1 Cu-Nb 复合材料的半共格界面 Zheng 等［32］通过单向叠加轧制法，在室温无退
火条件下将初始厚度分别为 1 mm 的铜（ Cu） 和铌 （ Nb） 板（ 图 1a） 轧制成单层 10 nm 的多层 Cu-Nb 复 合板材（ 图 1b） 。目前此类板材的厚度为毫米级，长 和宽可达到米级，是已知的单层厚度最小（ 10 nm） 的块体板材，可以满足多种尺寸以及大批量生产的 工程需求。
Zheng 等［32］经高分辨透射电子显微学研究 发 现，在经过如此大的塑性变形后绝大多数 Cu-Nb 界 面形成了具有确定取向关系的、原子级规则有序的 半共格界面（ 图 1c） 。Cu-Nb 界面取向关系呈现为 ｛ 112｝ Cu | | ｛ 112｝ Nb，〈111〉Cu | |〈110〉Nb，满足 KS 取向关系。层厚为 10 nm 时，Cu 层中观察到了大 量 Cu 孪晶。而且，Cu-Nb 层状复合材料表现出优异
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电子显微学报 J． Chin． Elect8 卷
属不互溶，不 会 形 成 化 合 物，因 此 可 以 形 成 原 子 尺 度的明锐界面，便于研究界面效应［31］。本文结合了 作者所在课题组的研究工作，介绍了通过单向叠加 轧制的方法制备的多层 Cu-Nb 复合板材的半共格 界面结构以及半共格界面对材料变形机制、热稳定 性能、抗核辐照损伤性能的影响规律。
收稿日期： 2019－06－23； 修订日期： 2019－07－13 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ No．51771201） ． 作者简介： 曾帅（ 1996－） ，男（ 汉族） ，湖南衡阳人，硕士． E－mail： szeng18s@ imr．ac．cn * 通讯作者： 郑士建（ 1980－） ，男（ 汉族） ，河北徐水人，教授． E－mail： sjzheng@ hebut．edu．cn
近年来，界面调控逐渐成为改善纳米晶金属结 构材料综 合 性 能 的 重 要 途 径［11－ 15］。 孪 晶 界 作 为 典 型的共格界面在调控材料性能方面发挥了重要作 用［16－20］。在纳米孪晶铜中，孪晶界不但具有界面能 低、电阻率 低 的 优 点，还 可 以 在 一 定 程 度 上 阻 碍 位 错运动，并 与 位 错 反 应 促 发 位 错 增 殖，从 而 在 纳 米 孪晶铜中同 时 实 现 了 高 导 电 率、高 强 度、高 塑 性 和 高热稳定性［17，21－22］。此外，小角晶界作为典型的半 共格界面对提高金属材料硬度和热稳定性也具有 显著的效 果［23－ 24］。 超 高 速 剪 切 变 形 可 以 使 块 体 纯 镍试样的表层生成纳米层状结构。这种结构中存 在的低角度界面一方面能够有效阻碍位错运动，从 而显著提高材料的硬度，另一方面由于这些低角度 界面相比于传统晶界具有更低的过剩能以及迁移 率，此层状结构具有更好的热稳定性［24］。层状金属 复合材料因其本身具有很强的设计性，例如组元的 选取和层厚的控制，因此层状金属复合材料有利于 充分发挥界面对性能的调控优势［25－30］。Cu、Nb 两 种金属分别作为典型的 FCC 和 BCC 材料，可以形 成具有代表性的异质界面； 另外，Cu 和 Nb 这两种金
硬度基本不变。同时，本文对退火引起的层状材料的结构和力学性能演化机理做了系统分析。此外，辐照研究发
现当辐照剂量低时，界面的局部高能区域为空洞形核提供了有效位点； 当辐照剂量高时，界面可以显著抑制空洞
的生长并调控空洞分布特征。此结果为通过合理设计界面结构使材料同时实现高热稳定性，高耐辐照和优异的
力学性能提供了依据。
关键词 纳米层状复合材料； 界面； 位错； 热稳定性； 核辐照损伤
中图 分 类 号： TB33； TB383； O76； O77； TG115. 21+ 5. 3
文 献 标 识 码： A
doi： 10. 3969 / j． issn． 1000
－6281. 2019. 05. 020
金属结构材料由于其优异的力学性能在当今 社会中发挥着不可替代的作用。然而，经济和社会 的高速 发 展 带 来 的 能 源 和 环 境 问 题 也 日 益 严 峻。 为了严格贯彻可持续发展战略，我国制定了国家科 技中长期发展规划。规划中涉及的装备制造、航空 航天、交通 运 输、核 能 核 电 等 都 对 金 属 结 构 材 料 提 出了更高的要求。纳米晶金属材料由于晶粒尺寸 小晶界密度高而产生了不同于粗晶材料的独特性 能［1－4］。经过国内外大量研究发现［1，5－7］： 纳米晶金 属材料中的高密度晶界可以有效阻碍位错运动，从 而可以显著提高其强度。然而，由于以位错滑移为 主的塑性变形受到了极大的抑制，因此纳米晶金属 材料塑性差。同时，纳米晶金属材料的高密度晶界 可以为辐照缺陷提供湮灭场所，所以其具有优异的 抗辐照损 伤 潜 力［8］。 但 是 晶 界 密 度 高 又 致 使 纳 米 晶金属材料的热稳定性显著不足［9－10］。单纯的改变 晶界密度难 以 同 时 实 现 高 强 度、高 塑 性、高 热 稳 定 性和优异的抗核辐照损伤性能，所以如何利用界面 工程提升金属结构材料综合性能成为了一个亟待 解决的科学问题。
曾 帅1，郑士建2* ，马秀良1
（ 1．沈阳材料科学国家研究中心，中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016； 2．天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室，材料科学与工程学院，
河北工业大学，天津 300130）
摘 要 通常纳米晶金属材料晶界上原子呈无序排列，晶界能高，因此纳米晶金属材料的热稳定性很差。研究
发现通过界面调制作用制备纳米多层复合金属材料能够显著提高材料的热稳定性以及力学和抗辐照损伤等综合
性能。本文综述了通过叠加轧制法制备得到的多层 Cu-Nb 复合板材的界面结构与性能。由于材料内部高密度半
共格界面的调控作用，此层状材料具有优异的热稳定性和抗辐照损伤性能。例如，经 500 ℃ 退火 1 h 此层状材料
第 38 卷 第 5 期 2019 年 10 月
电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol. 38，No. 5 2019-10
文章编号： 1000-6281（ 2019） 05-0569-10
层状金属结构材料原子尺度界面结构与性能
1. 1 Cu-Nb 复合材料的半共格界面 Zheng 等［32］通过单向叠加轧制法，在室温无退
火条件下将初始厚度分别为 1 mm 的铜（ Cu） 和铌 （ Nb） 板（ 图 1a） 轧制成单层 10 nm 的多层 Cu-Nb 复 合板材（ 图 1b） 。目前此类板材的厚度为毫米级，长 和宽可达到米级，是已知的单层厚度最小（ 10 nm） 的块体板材，可以满足多种尺寸以及大批量生产的 工程需求。
Zheng 等［32］经高分辨透射电子显微学研究 发 现，在经过如此大的塑性变形后绝大多数 Cu-Nb 界 面形成了具有确定取向关系的、原子级规则有序的 半共格界面（ 图 1c） 。Cu-Nb 界面取向关系呈现为 ｛ 112｝ Cu | | ｛ 112｝ Nb，〈111〉Cu | |〈110〉Nb，满足 KS 取向关系。层厚为 10 nm 时，Cu 层中观察到了大 量 Cu 孪晶。而且，Cu-Nb 层状复合材料表现出优异
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电子显微学报 J． Chin． Elect8 卷
属不互溶，不 会 形 成 化 合 物，因 此 可 以 形 成 原 子 尺 度的明锐界面，便于研究界面效应［31］。本文结合了 作者所在课题组的研究工作，介绍了通过单向叠加 轧制的方法制备的多层 Cu-Nb 复合板材的半共格 界面结构以及半共格界面对材料变形机制、热稳定 性能、抗核辐照损伤性能的影响规律。
收稿日期： 2019－06－23； 修订日期： 2019－07－13 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ No．51771201） ． 作者简介： 曾帅（ 1996－） ，男（ 汉族） ，湖南衡阳人，硕士． E－mail： szeng18s@ imr．ac．cn * 通讯作者： 郑士建（ 1980－） ，男（ 汉族） ，河北徐水人，教授． E－mail： sjzheng@ hebut．edu．cn
近年来，界面调控逐渐成为改善纳米晶金属结 构材料综 合 性 能 的 重 要 途 径［11－ 15］。 孪 晶 界 作 为 典 型的共格界面在调控材料性能方面发挥了重要作 用［16－20］。在纳米孪晶铜中，孪晶界不但具有界面能 低、电阻率 低 的 优 点，还 可 以 在 一 定 程 度 上 阻 碍 位 错运动，并 与 位 错 反 应 促 发 位 错 增 殖，从 而 在 纳 米 孪晶铜中同 时 实 现 了 高 导 电 率、高 强 度、高 塑 性 和 高热稳定性［17，21－22］。此外，小角晶界作为典型的半 共格界面对提高金属材料硬度和热稳定性也具有 显著的效 果［23－ 24］。 超 高 速 剪 切 变 形 可 以 使 块 体 纯 镍试样的表层生成纳米层状结构。这种结构中存 在的低角度界面一方面能够有效阻碍位错运动，从 而显著提高材料的硬度，另一方面由于这些低角度 界面相比于传统晶界具有更低的过剩能以及迁移 率，此层状结构具有更好的热稳定性［24］。层状金属 复合材料因其本身具有很强的设计性，例如组元的 选取和层厚的控制，因此层状金属复合材料有利于 充分发挥界面对性能的调控优势［25－30］。Cu、Nb 两 种金属分别作为典型的 FCC 和 BCC 材料，可以形 成具有代表性的异质界面； 另外，Cu 和 Nb 这两种金
硬度基本不变。同时，本文对退火引起的层状材料的结构和力学性能演化机理做了系统分析。此外，辐照研究发
现当辐照剂量低时，界面的局部高能区域为空洞形核提供了有效位点； 当辐照剂量高时，界面可以显著抑制空洞
的生长并调控空洞分布特征。此结果为通过合理设计界面结构使材料同时实现高热稳定性，高耐辐照和优异的
力学性能提供了依据。
关键词 纳米层状复合材料； 界面； 位错； 热稳定性； 核辐照损伤
中图 分 类 号： TB33； TB383； O76； O77； TG115. 21+ 5. 3
文 献 标 识 码： A
doi： 10. 3969 / j． issn． 1000
－6281. 2019. 05. 020
金属结构材料由于其优异的力学性能在当今 社会中发挥着不可替代的作用。然而，经济和社会 的高速 发 展 带 来 的 能 源 和 环 境 问 题 也 日 益 严 峻。 为了严格贯彻可持续发展战略，我国制定了国家科 技中长期发展规划。规划中涉及的装备制造、航空 航天、交通 运 输、核 能 核 电 等 都 对 金 属 结 构 材 料 提 出了更高的要求。纳米晶金属材料由于晶粒尺寸 小晶界密度高而产生了不同于粗晶材料的独特性 能［1－4］。经过国内外大量研究发现［1，5－7］： 纳米晶金 属材料中的高密度晶界可以有效阻碍位错运动，从 而可以显著提高其强度。然而，由于以位错滑移为 主的塑性变形受到了极大的抑制，因此纳米晶金属 材料塑性差。同时，纳米晶金属材料的高密度晶界 可以为辐照缺陷提供湮灭场所，所以其具有优异的 抗辐照损 伤 潜 力［8］。 但 是 晶 界 密 度 高 又 致 使 纳 米 晶金属材料的热稳定性显著不足［9－10］。单纯的改变 晶界密度难 以 同 时 实 现 高 强 度、高 塑 性、高 热 稳 定 性和优异的抗核辐照损伤性能，所以如何利用界面 工程提升金属结构材料综合性能成为了一个亟待 解决的科学问题。
曾 帅1，郑士建2* ，马秀良1
（ 1．沈阳材料科学国家研究中心，中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016； 2．天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室，材料科学与工程学院，
河北工业大学，天津 300130）
摘 要 通常纳米晶金属材料晶界上原子呈无序排列，晶界能高，因此纳米晶金属材料的热稳定性很差。研究
发现通过界面调制作用制备纳米多层复合金属材料能够显著提高材料的热稳定性以及力学和抗辐照损伤等综合
性能。本文综述了通过叠加轧制法制备得到的多层 Cu-Nb 复合板材的界面结构与性能。由于材料内部高密度半
共格界面的调控作用，此层状材料具有优异的热稳定性和抗辐照损伤性能。例如，经 500 ℃ 退火 1 h 此层状材料
第 38 卷 第 5 期 2019 年 10 月
电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol. 38，No. 5 2019-10
文章编号： 1000-6281（ 2019） 05-0569-10
层状金属结构材料原子尺度界面结构与性能