材研“1-0” | 詹梅教授团队发表JMPS：揭秘锡单晶锯齿变形，微柱实验即可预测焊料寿命

发布时间：2026-09-03来源：材料微生活

引用本文：

Discontinuous plasticity in Sn single crystals: a combined experiment and modelling study．

Hai Xin1, Tianhong Gu1,*, Finn Giuliani, T. Ben Britton, Mei Zhan, Yilun Xu*, Zebang Zheng*

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2026.106714

导语

近日，西北工业大学詹梅教授团队联合西交利物浦大学顾天虹研究员、新加坡ASTAR高性能计算研究院徐轶伦研究员等团队在固体力学顶刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（JMPS）发表重磅研究成果。论文第一作者为博士生辛海与顾天虹博士，通讯作者为顾天虹、徐轶伦以及郑泽邦教授。团队通过微柱压缩实验结合离散位错塑性模拟，揭示了高纯锡单晶中“不连续塑性流”的晶体学起源，并建立了应力锯齿特征与蠕变抗力的定量关联。这一发现为从微小的实验室测试快速预测大型焊点的服役寿命提供了全新的物理模型。

图形摘要

研究背景

β-Sn是SAC等无铅焊料的主要基体相。随着电子封装向细间距、小焊点方向发展，焊点晶粒尺寸降至数十微米量级，单个晶粒的晶体取向直接主导局部塑性响应。高纯Sn单晶在压缩变形中表现出各向异性的应力锯齿，即不连续塑性流动（DPF）。该研究提出并回答三个问题：

1.宏观应力锯齿对应的位错尺度机制是什么；

2.为何DPF幅值对晶体取向高度敏感；

3.微柱压缩的锯齿特征能否用于预测同材料滑移主导蠕变速率.

图文导读

对纯度 99.99% 的高纯 Sn 进行定向凝固，获得近 ⟨100⟩ 与近 ⟨001⟩ 取向的大尺寸晶粒，并对其开展了微柱压缩实验。

图1. 样品制备及实验设备

实验结果：近-[001]：最大应力跌落24.3MPa，均值~11MPa；近-[100]：最大应力跌落4.5MPa，锯齿频率更高但幅值小；近-[001]锯齿幅值约为近-[100]的3倍。

图2. (a) [001]与 [100]取向微柱应力-应变响应；(b)应力波动统计分析。

离散位错塑性（DDP）建模：采用基于热激活效应的DDP模型模拟锯齿形态，统计逃脱位错密度涨落与应力峰谷的相位匹配度：近-[100]76.6%，近-[001]85.4%，证明热激活钉扎–脱钉是DPF主因，形核/湮灭为次要项。

图3. DDP预测的锯齿应力响应和逃逸位错密度。

图4.波峰及波谷应变与位错分布。

由压缩锯齿到恒应力蠕变的推演：建立定量关联：微柱压缩应力锯齿幅值↑→位错热激活逃脱难度↑→滑移主导二级蠕变速率↓。

图5. 蠕变的晶体取向依赖性。

结论

不同晶体取向激活不同的滑移系，导致[001]取向的应力锯齿振幅是[100]取向的3倍。位错钉扎-脱钉过程主导锯齿流变，其幅度受热激活能各向异性控制。锯齿振幅越大，蠕变抗力越强，两者通过位错机制紧密关联。这一发现建立了一种基于微观变形机制的快速评估方法，可低成本预测Sn基焊接接头的长期可靠性。

作者简介

詹梅

西北工业大学材料学院教授、博士生导师、国家级领军人才入选者和国家杰出青年科学基金获得者，精确塑性成形团队负责人。从事高性能轻量化复杂构件精确塑性成形理论与技术研究，先后获国家自然科学二等奖、国家技术发明奖二等奖、省部级一等奖等奖励。主持国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等项目30余项。在IJP、JMPT、IJMS等本领域重要期刊发表论文170余篇，获授权国家发明专利和软件著作权80余件，主导/参与制定国标/企标5项。现任中国机械工程学会塑性工程分会名誉副主任委员、常务委员；陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室主任；制造领域国际期刊《Manufacturing Review》副主编、《航空学报》中英文版、《中国机械工程》等期刊编委等。

郑泽邦

西北工业大学材料学院教授、博士生导师。2012年获西北工业大学学士学位，2012-2018年求学于英国帝国理工学院，师从Fionn Dunne院士先后获得硕士、博士学位，2018年9月通过西北工业大学翱翔海外学者计划引进回国，现担任中国机械工程学会塑性工程分会塑性加工理论委员会委员、国际合作委员会秘书。主要从事先进制造技术与工程合金的微观变形机理的研究。近年来主持国家自然科学基金重大研究计划培育/面上/青年项目等十余项，在本领域顶级期刊Int J Plast、Acta Mater和J Mech Phys Solids等发表论文40余篇。在国际会议作邀请报告20余次，获陕西省自然科学一等奖、中国能源研究会能源创新奖技术创新二等奖等奖项，入选2020年人社部 “香江学者”计划。