近日，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納尺度材料行為研究中心研究生余倩在導(dǎo)師孫軍、肖林等指導(dǎo)下，與美國賓夕法尼亞大學(xué)李巨教授、丹麥瑞瑟國家實(shí)驗(yàn)室黃曉旭博士合作，對(duì)微小尺度金屬單晶材料中的孿晶變形行為及其對(duì)材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)單晶體外觀尺寸對(duì)其孿晶變形行為的強(qiáng)烈影響，以及相應(yīng)材料力學(xué)性能的顯著變化。該研究結(jié)果發(fā)表在1月21日出版的《自然》雜志上。

　　孫軍等通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于六方晶體結(jié)構(gòu)金屬孿晶、位錯(cuò)滑移變形的特異性，選取鈦?5%鋁合金單晶中以孿晶變形為主導(dǎo)塑性變形方式的晶體取向，有針對(duì)性地研究了孿晶變形在微小尺度材料中的行為規(guī)律和機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外觀幾何尺度減小到微米量級(jí)時(shí)，與相應(yīng)宏觀塊體材料相同，材料的塑性變形仍以孿晶切變?yōu)橹鳎牧系那?qiáng)度及其塑性變形中能夠承受的最大流變應(yīng)力均有顯著的提高。但當(dāng)晶體的外部幾何尺度進(jìn)一步減小到亞微米量級(jí)時(shí)，其塑性變形方式將發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變：孿晶變形被位錯(cuò)滑移變形所取代。而發(fā)生這一轉(zhuǎn)變的臨界特征晶體尺寸為1微米左右，遠(yuǎn)大于多晶納米材料強(qiáng)度極值對(duì)應(yīng)的20納米。文中提到，由于僅有 1%左右的位錯(cuò)可作為極軸，而晶體尺寸愈小，就愈難于利用螺型位錯(cuò)的極軸作用將兩個(gè)相鄰的滑移面有效耦合在一起形成孿晶，從而解釋了孿晶變形具有強(qiáng)烈的晶體尺寸效應(yīng)和“尺寸愈小、強(qiáng)度愈高”的內(nèi)在原因。

　　該研究結(jié)果對(duì)于系統(tǒng)認(rèn)識(shí)微小尺度材料的力學(xué)行為有著十分重要的作用。對(duì)于微電子元器件與微機(jī)電系統(tǒng)所用材料的性能表征評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)，特別是利用其強(qiáng)度的強(qiáng)烈晶體尺度效應(yīng)進(jìn)行微納加工等具有重要指導(dǎo)意義。