顆粒在線訊：在多孔材料壓縮變形的初始階段，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出一個(gè)較長應(yīng)力平臺(tái)。流變應(yīng)力在壓縮變形中幾乎保持恒定，直至致密化階段流變應(yīng)力才開始急劇上升。多孔材料的壓縮應(yīng)力平臺(tái)與其非均勻變形方式有關(guān)：在外加載荷下多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生局部失穩(wěn)坍塌，形成變形帶；該變形帶在恒定應(yīng)力下逐漸擴(kuò)展至整個(gè)樣品。這一獨(dú)特變形方式是多孔材料的典型行為，并賦予了該材料抗沖擊、吸能等優(yōu)異性能。對于常規(guī)多孔材料，當(dāng)相對密度或固相體積分量較低時(shí)，其壓縮應(yīng)力平臺(tái)較明顯；隨著相對密度的提高，應(yīng)力平臺(tái)長度急劇縮短；當(dāng)相對密度上升至~0.30以上，應(yīng)力平臺(tái)逐漸消失，多孔材料的壓縮變形也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴谌旅懿牧系木鶆蜃冃涡袨椤?br/>

　　近年來，納米多孔金屬因其高強(qiáng)度及獨(dú)特的表面控制功能特性而備受關(guān)注。納米多孔金屬的變形行為與該材料的結(jié)構(gòu)-功能一體化應(yīng)用探索緊密相關(guān)，是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。以往研究表明，納米多孔金屬在壓縮下呈現(xiàn)均勻變形，且在其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上未見應(yīng)力平臺(tái)。一般認(rèn)為，這是由于當(dāng)前納米多孔金屬相對密度較高所致，壓縮應(yīng)力平臺(tái)可能在相對密度更低的納米多孔金屬中出現(xiàn)。

　　與上述傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)相反，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心副研究員劉凌志、博士研究生張燁元、特別研究助理解輝和研究員金海軍發(fā)現(xiàn)，通過進(jìn)一步提高而非降低相對密度，可在納米多孔金中復(fù)現(xiàn)由非均勻變形誘發(fā)的壓縮應(yīng)力平臺(tái)。近日，這一研究成果以Transition from homogeneous to localized deformation in nanoporous gold為題，發(fā)表在Physical Review Letters上。

　　研究發(fā)現(xiàn)，隨著相對密度升高，納米多孔金壓縮加工硬化率急劇下降，在相對密度提高至~1/3以上時(shí)呈現(xiàn)良好的應(yīng)力平臺(tái)，其變形也從均勻變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鶆蜃冃?。這一變形方式的轉(zhuǎn)變與傳統(tǒng)多孔材料中觀察到的轉(zhuǎn)變方向完全相反，且機(jī)制不同。進(jìn)一步結(jié)構(gòu)表征和分析表明，納米多孔金屬變形方式轉(zhuǎn)變源自其孔棱變形從彎曲主導(dǎo)向拉壓主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。在較低相對密度納米多孔金的壓縮變形中，由于懸掛孔棱的搭接以及孔棱彎曲產(chǎn)生幾何必須位錯(cuò)強(qiáng)化，從而誘發(fā)應(yīng)變硬化并抑制應(yīng)變局域化。而在較高相對密度納米多孔金中，孔棱在拉壓主導(dǎo)變形下更易發(fā)生位錯(cuò)滑移雪崩誘發(fā)的應(yīng)變失穩(wěn)，從而誘發(fā)局部變形帶的形成以及恒定載荷下遞進(jìn)式的宏觀變形方式。這一轉(zhuǎn)變只在孔棱直徑小于200納米，且晶粒尺寸遠(yuǎn)大于孔棱直徑的條件下存在，或是自組裝納米多孔結(jié)構(gòu)晶體材料的共同特征。

　　這是在該臨界相對密度（~1/3）附近觀察到納米多孔金屬的異常力學(xué)行為【L.Z. Liu et al, Acta Materialia 78(2016)77-87；L.Z. Liu et al, Applied Physics Letters 110(2017)211902；H.J. Jin et al, MRS Bulletin 43(2018)35-42】和自發(fā)致密化行為【H. Xie et al, Acta Materialia 209(2021)116806】之后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的納米多孔金屬異于傳統(tǒng)多孔金屬的又一特征行為。該研究對于發(fā)展結(jié)構(gòu)-功能一體化高性能納米多孔金屬材料、理解自組裝納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及表面控制力學(xué)響應(yīng)【H.J. Jin and J. Weissmueller, Science (2011)；Y.Y. Zhang et al, Physical Review Letters (2021)】等具有重要意義。

　　研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助。

　　圖1.納米多孔金的壓縮變形行為。（a）不同相對密度納米多孔金的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，小圖為不同相對密度常規(guī)多孔鋁的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；（b）不同相對密度納米多孔金歸一化后的加工硬化率隨壓縮應(yīng)變的變化情況；（c）納米多孔金歸一化加工硬化率隨相對密度的變化；（d）相對密度為0.36的NPG-35樣品的加工硬化率隨孔棱尺寸的變化情況

　　圖2.納米多孔金的均勻與非均勻變形。相對密度為0.27的NPG-25樣品。（a）和相對密度為0.36的NPG-35樣品；（b）壓縮不同應(yīng)變后的表面形貌光鏡照片；（c-d）為NPG-25樣品壓縮20%前后局部變形情況，可見孔棱發(fā)生彎曲變形和懸掛孔棱發(fā)生搭接；（e）壓縮10%的NPG-35中，變形帶內(nèi)的孔棱發(fā)生位錯(cuò)雪崩式滑移變形的痕跡