——　第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼　——

金属变形孪晶的强烈晶体尺寸效应

　　伴随着微电子元器件与微机电系统(MEMS)等技术的发展，所用材料外形特征尺寸的下限已经逐渐减小至亚微米甚至纳米量级。在这类微纳尺度材料中，材料的变形载体，如位错或者孪晶，其特征尺寸与作用空间，已经与材料的外部几何尺寸处于相近量级。在这种情况下，孪晶是否仍然会发生？其产生的临界条件和材料性能是否会随试样尺寸而改变？这些都是当前材料科学领域中的前沿课题，也是设计工程师非常感兴趣的问题。

　　作为材料开发和应用的重要环节，如何准确测量和表征微小器件在制备和服役过程中的变形行为和力学性能，是高性能器件设计、制备与安全使用中的关键问题，也是材料科学研究必须回答的问题。以往人们熟知位错滑移变形材料强度对晶体尺寸的依赖关系，但对变形孪晶的尺寸依赖性却知之甚少。

　　西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军教授及其合作者最近的研究结果表明，当所用钛铝单晶体材料的尺寸小于临界特征值后，孪晶变形表现出更为强烈的尺寸依赖性和更大的特征尺寸。

　　通过研究孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理发现，当外观几何尺寸减小到微米量级时，尽管材料的塑性变形仍以孪晶切变为主，但材料的屈服强度及其塑性变形中能够承受的最大流变应力却显著提高，分别达到其宏观值的约5倍和8倍，表现出很强的尺寸依赖性。

　　当晶体的几何尺寸减小到1微米左右时，材料的塑性变形机制由孪晶变形为主转变为普通的位错滑移变形，而材料所能承受的最大流变应力亦呈现出接近于实验材料理想强度水平的“应力饱和”现象。

　　文中还提出了以螺位错为媒介的孪晶变形“受激滑移”模型，与实验值吻合良好，有助于解释孪晶变形机制和强度的尺寸依赖性。

　　该研究结果对于系统认识微小尺度材料的力学行为有着十分重要的意义。对于微电子元器件与微机电系统(MEMS)所用材料的性能表征评价与设计，特别是利用其强度的强烈晶体尺寸效应进行微纳加工等具有重要的指导作用。

　　该研究结果发表在2010年1月21日出版的Nature上。