低层错能纳米金属材料的力学行为及变形动力学

纳米材料因其良好的力学和物理性能而倍受关注。目前对纳米金属材料力学行为和变形动力学的研究主要集中在铜、镍等具有较高层错能的材料上，而对低层错能纳米材料的研究却很缺乏，尚未建立完善的理论体系。层错能是影响金属材料变形机理和力学性能的重要因素。本项目选取具有低层错能的纳米铜合金和超细晶奥氏体不锈钢为研究对象，通过在不同温度下的恒速率和变速率拉伸/压缩、应力松弛等力学实验，研究低层错能纳米材料的力学特性（强塑性、应力应变行为）和变形动力学（应变速率敏感性指数、热激活活化体积)，结合微观结构观察研究其变形机制，阐明层错能、温度、应变速率与流变应力、应变速率敏感性指数、活化体积之间的关系，构建相应的理论模型。研究结果将揭示层错能、温度和应变速率对纳米材料力学行为和变形动力学的影响规律，为优化纳米材料的力学性能和探索其变形机理提供可靠的实验和理论依据，对发展工程化的高强、高韧金属材料具有一定的参考价值

层错能是影响金属材料变形机理和力学性能的重要因素。目前对纳米金属材料力学行为和变形动力学的研究主要集中在铜、镍等具有较高层错能的材料上，而对低层错能纳米材料的研究却很缺乏，尚未建立完善的理论体系。本项目选取具有低层错能的纳米铜合金、超细晶奥氏体不锈钢和纳米结构高强度钢为研究对象，通过恒速率和变速率拉伸/压缩、应力松弛等力学实验，获得了以下代表性研究结果：（1）低层错能纳米金属材料得制备、力学性能和变形动力学：（a）层错能越小越容易通过强烈塑性变形方法获得晶粒尺寸小的纳米晶材料，可在铜铝合金中获得的平均晶粒尺寸约50 nm的块体纳米材料；（b）层错能越小，强塑性越好；（c）在相同晶粒尺寸下，低层错能纳米铜合金的应变速率敏感性指数比纳米铜低。这些研究结果对于深刻认识制备块体纳米金属材料、低层错能纳米金属的变形机理和力学行为具有重要的理论意义。2篇代表性论文是Mater. Sci. Eng. A（2012;556:638, 2014;611:274）。（2）高强高韧钢铁材料的组织细化与强韧性。该部分内容创新性的通过剧烈塑性变形结合热处理的方法使得极难变形的超高强度钢的强度提高500MPa。在超高强度钢中，这样大幅度地提高强度对于2000MPa级的超高强度钢是一个新的突破。另外，通过逆相变的方法在304L不锈钢中获得了近似理想的超细晶结构，使得材料强度大幅提高（屈服强度800MPa）的情况下仍保持很好的韧性（拉伸延伸率30%）。这些研究结果不仅具有重要的科学意义，而且为钢铁材料的强韧化途径提供了一条具有重要工程应用价值的途径，对实现工程结构减重具有广阔的应用前景。代表性论文是Mater. Sci. Eng. A（2012;550:429-433）和Mater. Res. Lett.（2015;3:88-94）。（3）微/纳米三明治叠层材料的力学行为。通过简单塑性加工方法和热处理获得了心部纳米、外层微米的三明治结构金属材料。该结构材料表现出一些异常的力学现象，如相较于纳米金属材料具有很强的加工硬化能力、比混合法则预测的塑性更高。研究成果提供了研究微/纳米多尺度力学现象的理想模型材料。这些研究成果对于认识和理解微/纳米多尺度力学效应具有一定的意义。代表性论文是Scripta Mater.（2015; 103:57-60），是该期刊当季度的Top25（排名第3）。