氦泡分裂：金属中一种全新的微观损伤机制
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发布时间：2016-11-28
在国家自然科学基金项目（项目编号：51471128，51231005，51321003）等资助下，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室韩卫忠教授和单智伟教授借助先进的原位纳米力学技术，发现纳米氦泡铜在拉伸中展现出超塑性变形能力，同时纳米氦泡的伸长、合并或分裂会最终导致整个样品失效。该研究阐明了一种辐照缺陷影响金属材料塑性变形的新机制，丰富了人们对金属材料微观损伤机理的认识。相关研究成果分别以“Nanobubble Fragmentation and Bubble-Free-Channel Shear Localization in Helium-Irradiated Submicron-Sized Copper（氦辐照下亚微米铜中的纳米气泡分裂和无氦泡通道剪切局域化）”和“Radiation-Induced Helium Nanobubbles Enhance Ductility in Submicron-Sized Single-Crystalline Copper（辐照诱发的纳米氦泡增韧亚微米尺度单晶铜）”为题，在2016年11月16日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）和2016年6月1日的《纳米快报》（Nano Letters）上发表。论为链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00864和http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.215501。
处于离子或中子辐照之下的材料，如聚变反应堆第一壁材料或裂变反应堆的结构材料，均可能发生氦的产生和积累，并极大地改变金属材料的微观结构和宏观性能。一般认为，关键微观机制是氦泡的合并和长大引起金属部件发生过早的沿晶断裂。然而，纳米尺度氦泡如何影响金属材料的塑性变形方式，怎样通过多个氦泡的合并和长大最终引起材料的失效断裂，一直缺乏直接的实验观察和证据。
韩卫忠教授和单智伟教授发现，通过高温氦离子注入在金属铜中形成的纳米尺度氦泡，不仅是位错的可剪切障碍物，还是活跃的内部位错源，能有效减缓位错运动、促进位错均匀形核，有利于位错存储和提高加工硬化能力，进而使单晶铜产生更加均匀和稳定的塑性变形。含氦泡金属的最终失效通常被认为是由氦泡的长大和合并造成的，然而他们发现，除了氦泡合并长大机制，氦泡分裂也是一种广泛存在的微观损伤形式。氦泡的分裂会在材料内部形成无氦泡通道，从而加速金属材料的剪切局部化，进而引起失效断裂。
图 位错滑移导致的氦泡颈缩和分裂。（a）轻微伸长的氦泡；（b）氦泡开始颈缩；（c）位错滑移导致在颈缩区域出现四个平直边界，E1-E4；（d）位错滑移导致边界E3向右移动；（e）进一步位错滑移导致边界E2向下移动，最终导致E1和E3中间的空间减小；（f）当局部宽度小于1nm时氦泡最终分裂。
