双模晶粒分布铜的力学性能和变形机理(2)
美国物理学家、诺贝尔奖获得者R. Feynman在美国物理协会（APS）演讲时，首次提出基于纳米尺度范围控制物质结构的预言[3]。1981年，美国麻省理工学院Drexler 发表了第一篇关于分子纳米技术的论文，提出人造分子机器的构想。纳米材料真正进入材料科学的研究领域是1984年德国科学界Gleiter[4]等人首次用惰性气体凝聚法成功制备出铁纳米微粒，并以此为结构单元制成了纳米块体材料。此后不断加深对纳米材料的深入理解。纳米技术、计算机、信息技术和生物技术被并列为 21 世纪的新兴技术。
如今，纳米材料的发展突飞猛进[5]，已成为纳米技术中最活跃、发展最快、最接近应用的重要组成部分。纳米材料的微观结构具有独特的纳米颗粒尺寸和高密度晶界的特点，由此产生小尺寸量子效应和晶界效应，可以直接影响材料的各类性质。纳米材料的制备、结构、性能及其应用的研究已成为现今材料学研究领域的热点。特别是近年来的研究成果，已经展现出它作为新型国民经济支柱产业和在高科技领域发展应用的巨大潜能。
1.1.2 纳米材料的微观结构
纳米材料的晶粒细小，微观结构至少在一文方向上受到纳米尺度（1-100nm）的制约，是尺度不同的固体超细晶材料，包括零文的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米颗粒，一文纳米纤文，二文纳米薄膜和三文纳米块体材料。对于纳米材料晶界结构的研究，早期Gleiter[8]等人用利用中子散射、X射线等分析手段对纳米晶体Fe、Pd、Cu的结构进行了研究，认为纳米晶体的晶界结构与普通粗晶完全不同，表现出近程无序，长程也无序的高度无序状态，具有很大的界面过剩体积和过剩能量，呈一种“类气态”结构。后来，大量试验及模拟结果表明，纳米晶体材料的，存在晶体的有序结构和位错网络结构[9]，并不似早期结果中显示的反常特征结构。
纳米材料的微观结构直接影响材料的性质，目前对于纳米材料微观结构的研究主要基于二个方面：（1）晶粒内部结构。近年来的研究成果表明，纳米晶粒的内部结构与传统的普通晶体有很大区别，出现点阵偏离、晶格畸变和内部密度低的特点。如赵永好教授[10]研究的纳米晶Se的结果表明：晶粒尺寸的减小引起平均微观畸变的增加，畸变量沿<1 0 0>方向上升而沿<1 0 4>方向降低，表现为各向异性增强。（2）晶界结构及其稳定性。界面上的原子可呈有序或无序两种结构排列方式，这与材料制备和处理工艺的不同有关。无需排列是一种亚稳结构，在外界作用下会释放能量转变为低能有序结构，故稳定性差。Li 等[11]。用HREM直接观察经冷压过程合成的纳米Pb样品，发现样品中存在晶体位错和部分无序晶界结构，而使用非晶晶化法制得的纳米晶体样品中未发现无序晶界。
1.1.3纳米材料的力学性能
纳米材料晶粒细小，晶界体积分数很大，故纳米材料比表面积很大，表现出比普通材料更优异的力学性能。目前，关于纳米材料的力学性能研究，已经涉及硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力-应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等方面。
(1)纳米材料的强度
强度是材料抵抗外力作用时表现出的一种性质。其中，屈服强度是指材料受力从发生弹性变形到发生塑性变形所对应的应力值，是材料力学性能的重要指标。基于位错塞积理论，经过大量实验证实并总结出传统粗晶材料的强度与晶粒大小关系契合经典的Hall-Petch公式：