样品厚度对纳米孪晶316L不锈钢断裂韧性的影响(2)
晶粒大小是影响金属材料力学性能的重要因素，细化晶粒可以有效的提高材料的强度以及断裂韧性。科学家们通过多种严重塑性变形法（SPD）细化晶粒来提高材料的断裂韧性[2,3]。据报道，通过等通道转角挤压法（ECAP）获得的Al-Si合金冲击韧性得到显著的提高[4]。相比于粗晶镍，通过高压扭转法制备的超细晶镍同时拥有良好的强度以及断裂韧性[5]。Somekawa等人通过在不同温度下热挤压得到的纯镁中发现，晶粒尺寸的下降大大提高的镁的断裂韧性[6]。这是因为材料晶粒越细，界面总面积越大，裂纹尖端附近产生塑性区所需的能量越大，所以提高了材料的断裂韧性。
然而，将晶粒细化至纳米尺寸时，金属材料的强度急剧提升，但是韧性却没有显著改观，甚至下降，比如平均尺寸在18nm的纯纳米晶Co的冲击韧性只有传统的退火态Co的四分之一[7]。这种脆性主要是由于纳米材料中缺陷密度过高使局部应力集中程度过高引起的，其中沿晶断裂成为主导的断裂机制[8,9]。最近，研究人员发现纳米孪晶能够在有效强化材料的同时保持良好的塑性变形能力[10-12]。包含15nm厚的纳米级生长孪晶的超细晶铜片强度高达1GPa，拉伸塑性接近13%[13]，由动态塑性变形方法制备的纳米孪晶纯铜断裂韧性（KQ=31MPa/m2）比严重塑性变形法制备的超细晶铜断裂韧性（KQ=24MPa/m2）高出不少，估计的平面应变断裂韧性KIc值略小于KQ分别为28MPa/m2和17.2Mpa/m2[14]。从中可看出,纳米孪晶可以在大幅度提高纯铜强度的同时提高它的断裂韧性。材料发生断裂时，各向异性的纳米孪晶片层能够有效的吸收能量，阻碍裂纹的增值。但对纳米孪晶的韧化机制的研究较少，有待进一步的探索。
尽管已有文献报道关注纳米结构材料断裂韧性的研究，目前尚未获得关于纳米结构材料的断裂行为和断裂机理的系统认识。一般从断口韧窝的尺寸判断其断裂韧性。一般韧窝越小，则其在断裂过程中吸收的能量较少，表明其断裂韧性较差。纳米结构材料断裂韧性的改善，应诉诸于断裂过程中韧窝长大吸收更多的能量，也就是形成尺寸更大的韧窝。制约纳米结构材料断裂行为研究主要有两方面的原因。首先，材料的断裂韧性往往具有明显的几何和尺寸效应，只有超过某临界尺寸的样品才能获得尺寸无关的材料本征断裂韧性；其次，目前多数纳米结构材料制备工艺往往难以获得满足尺寸要求的块体样品。因此，研究并理解纳米结构材料断裂韧性的尺寸效应是当前探讨其断裂行为的可行方法。
1.3 断裂韧性的尺寸效应
1.3.1 什么是厚度效应
试件的厚度影响着裂纹尖端附近的应力状态，导致材料裂纹开始扩展时应力强度因子临界值KC也发生变化，称为厚度效应。材料的厚度效应与材料从完全平面应力到完全平面应变状态的转化有关。当试样的厚度足够厚的时候，材料表面平面应力的区域所占比例极小，可以忽略，可认为全部出于平面应变状态，材料的断裂行为可认为与厚度无关。当试件厚度较小时，材料中的平面应力状态区域所占比例较大，不能忽略，材料的断裂韧性KC会随着平面应变所占比例的增大而增大
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