纳米孪晶Fe的塑性变形和断裂机理研究

Nanotwinned metals are attractive in many applications because of ultra-high strength and hardness as well as good tensile ductility. At present, most simulation and experimental studies are focused on nanotwinned face-centred cubic (FCC) metals, but very few studies on nanotwinned body-centered cubic (BCC) metals, leading to very little understanding about the effectiveness of twins on the properties of BCC metals and their relevant deformation mechanisms. In this subject, the deformation and failure mechanism of nanotwinned iron (Fe) under tensile deformation is studied by the molecular dynamics simulation. It aims to reveal the interactions between dislocation, twin, grain boundary and crack during tensile deformation, and to investigate the strength and ductility of the nanotwinned materials with the dependence of characteristic factors such as twin spacing distance and orientation, grain size and temperature, etc. The influence of the pre-existing twin structures on mechanical property of nanocrystalline Fe will be evaluated combining with the experiment of Fe specimens without pre-existing twins, which can provide a theoretical guide for structural design, manufacturing, and application of nanotwinned Fe or other BCC metals.

纳米孪晶材料因超高的强度、硬度和可观的塑性等优点而广受关注，目前大部分模拟与实验研究都集中在面心立方结构（FCC）金属材料，对体心立方结构（BCC）金属材料研究较少，孪晶结构对BCC结构材料性能影响的理解及相关机理不清楚。本课题以BCC结构孪晶金属铁（Fe）为研究对象，通过应用分子动力学模拟手段，对纳米孪晶材料受载过程中的塑性变形与断裂机制进行研究。揭示塑性变形过程中的位错、孪晶、晶界、裂纹之间的相互作用机理；建立纳米孪晶Fe材料特征参数（包括孪晶间距和取向、晶粒尺寸、温度等）与强度、塑性及变形机理之间的关系；结合非孪晶Fe材料实验研究，评估纳米BCC结构Fe金属中预置孪晶结构对材料性能的影响，为纳米孪晶Fe或其它BCC结构材料的结构设计、生产和应用提供理论指导。

本课题以纳米孪晶体心立方BCC结构Fe金属为研究对象，针对BCC结构金属滑移系众多及相关理论缺乏的特点，应用分子动力学大规模模拟计算手段，对其材料在受载过程中的塑性变形与断裂机制进行了研究。分析了预置孪晶、孪晶取向、孪晶间距、晶体结构类型、晶界取向、温度，杂质氢等因素的影响，揭示了位错-孪晶-去孪晶-晶界-裂纹的相互作用关系以及建立了这些作用形式与材料性能的关联性，为纳米孪晶Fe和其它BCC结构金属材料的结构设计、制备和应用提供了重要理论指导。项目研究主要取得以下成果：.研究发现纳米孪晶Fe模型变形与失效机制取决于孪晶取向。当孪晶取向由水平变为倾斜然后变为垂直时，相应的变形发生由断裂→孪晶迁移→位错与孪晶反应或相变的转变。预置倾斜孪晶使材料软化但可以提升材料的韧性。水平孪晶取向和垂直孪晶则一定程度上增加了材料强度。变形过程中，位错-孪晶-去孪晶作用关系及其复杂，涉及位错滑移、孪晶迁移、位错交叉滑移，位错穿越孪晶界面、变形孪晶和相变等变形机制，这些变形机制主导着塑性变形，提升了材料的韧性，延缓了因空位/裂纹形成导致材料的失效。此外，研究还对比了孪晶结构对BCC结构和其它结构（如FCC）材料变形和性能影响的差异性。通过对纳米晶Fe含氢模型变形行为和失效行为进行研究，发现氢渗入金属可能使其提前失效，但可以通过设计特定晶界类型结构或减少其浓度或减少反复载荷机率等都可以有效避免或减少氢脆的发生。.通过该课题，累计发表国际期刊论文6篇。