氦泡分裂：西交大发现一种全新的金属微观损伤机制
近日，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，对含氦泡铜试样的拉伸破坏机理进行了系统的研究，发现纳米氦泡铜在拉伸中展现出超塑性变形能力，同时微纳尺度氦泡铜试样会通过纳米氦泡的伸长、合并或分裂最终导致整个样品的失效。
氦泡分裂是一种全新的金属材料内部微观损伤机制，显著区别于常规的氦泡合并长大机制。该发现更加丰富了人们对金属材料微观损伤机理的认识。
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，由于辐射作用会在材料内部造成多种辐照缺陷。氦泡作为一种典型的有害缺陷，常常会在金属材料中导致严重的高温氦脆，其微观机制是通过晶界氦泡的合并和长大，从而引起金属部件发生过早沿晶断裂。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。
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。
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。
大应变下氦泡的分裂包括以下几步：
位错与氦泡的交互作用使氦泡显著拉长或发生颈缩；
氦泡的剧烈变形使其局部宽度缩小至1 nm左右；
通过位错进一步剪切或瑞利不稳定性机制造成氦泡分裂；
氦泡内表面扩散促使分裂后的氦泡回复椭球形。
该研究工作更加丰富了人们对金属材料微观损伤机理的认识，阐明了一种辐照缺陷影响金属材料塑性变形的新机制。
相关研究成果已经分别以“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。
相关是由西安交通大学材料学院硕士生丁明帅，在导师韩卫忠教授和单智伟教授的悉心指导下完成。参与该工作的还有李巨教授、马恩教授、田琳博士等。该工作得到了国家自然科学基金（编号：51471128， 51231005， 51321003）、中组部青年千人计划、陕西省百人计划、西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的共同资助。
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00864
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.215501
本文内容综合自国家自然科学基金委员会和金属材料强度国家重点实验室网站。
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