镍磷梯度合金的设计、制备及力学性能研究

With the rising demand of social development, the requirement for matals with excellent mechancial properties keeps increasing. However, there is an intrinsic limit in controlling the microstructure of materials alone to satisfy high strength and ductility at the same time. Therefore, how to achieve the win-win situation on the material properties has become one of the most important topics.The gradient archtecured materials combine the two length-scales, which is on nano-microsized traditional ways and micro to mm scale at component level to produce multifunctional properties that satisfy the ever increasing needs on the new materials. In this project, the gradient architectured materials are propsed to meet the ever increasing demand by the stduy of the mechanical properties of nickel-phosphorus gradient materials. Frist, different kinds of chemical composition gradient/grain size gradient/microstructure gradient Ni-P alloys are prepared by electroless plating/electroplating method. Through the investigation of mechanical properties of different kinds of gradient materials, the deformation and strenghening mechanism will be further discussed, which will help us to design the gradient materials with optimized microstructure.The deformation mechanism and the relationship between structure and multifunctionality will alos be revealed. Ultimately, this study will help us to design the materials with mutifunctionality for the engineering application.

随着社会发展，人类对金属材料的力学性能的要求越来越高。然而，材料的微观组织结构决定了其强韧性之间相互矛盾，如何达到材料力学性能同时提高是材料研究者所追求的目标。"构筑"梯度材料就是把不同材料，应用新的工艺方法"构造"在一起，在微观和宏观两个尺度下同时对材料进行"构造"，使混合体具有比其单质材料更优良的性能, 成为解决金属材料强韧矛盾的有效手段。本项目将通过对镍磷梯度材料的设计、制备及力学性能的研究，探索梯度构筑材料的制备方法，为解决材料多功能性的需求提供新的思路和方法。首先通过化学镀/电镀方法，在镍磷合金中引入不同形式的化学成分梯度/晶粒尺寸梯度/微观组织梯度，然后系统研究不同梯度材料的力学性能，探索梯度合金的变形机理及强韧化规律，指导梯度材料微观结构及宏观尺寸的优化设计。本项目致力于设计、开发梯度构筑材料及其制备工艺，研究其变形机理及强韧化规律，最终达到材料性能的多重优化。

传统金属材料通常呈现出强塑/韧性倒置关系，这严重制约了高强度金属作为工程结构材料的应用。梯度结构是使材料获得理想的强塑/韧性协同作用的一种有效途径。因此，研究梯度材料微观结构与力学性能之间的对应关系，对于高性能金属材料的开发和应用具有重要的理论和实际意义。通过本项目的研究，获得以下有意义结果：（1）首次采用直流电沉积方法实现块体（毫米级）晶粒尺寸梯度镍的可控制备。通过调控电流密度和添加剂浓度，制备出晶粒尺寸从4 m到28 nm连续过渡且晶粒尺寸分布（梯度率）可精确调控的梯度金属Ni。应用幂指数函数表征梯度材料的晶粒尺寸分布，定义梯度率(n)。（2）通过研究梯度率对拉伸性能的影响，揭示了梯度率对梯度结构金属镍拉伸性能的影响规律，并首次发现了最优梯度率的存在。在最优梯度率下，即n=3时，梯度结构金属镍呈现出最优拉伸性能，并实现了强度和塑性的同时提升。（3）基于晶粒尺寸梯度结构，对不同晶粒尺寸Ni在拉伸变形时进行结构演化高通量分析。研究结果表明，梯度Ni在变形过程中，粗晶部分会发生晶粒细化，而纳米晶部分则会发生晶粒长大现象，且其平衡晶粒尺寸为~280 nm。（4）系统研究梯度方向和梯度率对晶粒尺寸梯度Ni 韧性和冲击韧性以及裂纹萌生和扩展行为的影响。结果表明，梯度方向对梯度Ni冲击韧性的调节起主要作用，而梯度率无明显影响。与粗晶Ni相比，负梯度结构使梯度Ni的强度和冲击功分别增加了100%和60%，即实现了强韧性的同时提升。在负梯度结构中，纳米晶的引入不仅提升了粗晶抑制裂纹萌生的能力，而且极大地提高了材料阻止裂纹扩展的能力。裂纹扩展路径在宏观和微观层面均发生了多次偏折，并表现为裂纹尖端微孔聚集的内在增韧机制，使材料获得上升型J-R曲线。（5） 对层状结构进行系统研究，发现.存在优化层片厚度，其机械性能优化。（6）对梯度材料的疲劳进行研究，发现新的疲劳现象。