梯度序构纳米孪晶与析出相合金强韧化机制研究

In this proposal, the concept of gradient structure-ordered nanotwin and precipitate is proposed to raise the strength of metallic materials and keep their high ductility in order to solve the problem of strength and ductility trade-off. Plastic deformation will be used to induce gradient structure-ordered nanotwins and subsequent aging treatment will generate numerous precipitates on the twin boundaries. Gradient structure-ordered nanotwins and precipitates exhibit not only the deformation features of gradient structures and nanotwins, but also the effects of precipitate strengthening. In this proposal, the following investigations will be carried out: investigating the effects of nanotwins and precipitates on mechanical properties, building the intrinsic relation of microstructures, mechanical properties and deformation mechanism, discovering the coordinate deformation and coupling strengthening effects of nanotwins and precipitates, clarifying the connection of gradient ordered structure and mechanical properties, and understanding the strengthening and toughening mechanism of gradient structure-ordered nanotwins and precipitates. The above investigations will provide theoretical basis for the development to high strength and high ductility metallic materials.

针对金属材料强度-塑性倒置这一重大科学问题，本项目首次提出梯度序构纳米孪晶与析出相强韧化的概念。通过塑性变形在铁镍基高温合金中制备梯度序构纳米孪晶结构，结合后续时效退火在纳米孪晶界面引入纳米析出相。该结构功能基元为纳米孪晶和纳米析出相，各功能基元沿材料厚度方向梯度序构。梯度序构纳米孪晶与析出相不仅具有梯度和纳米孪晶结构的变形特点，而且还有析出相弥散强化效果。通过研究其功能基元对宏观力学性能的影响规律，建立其微观结构-力学性能-变形机理的内在联系，揭示功能基元间的协同变形和耦合增强效应，澄清功能基元梯度序构与其宏观性能的关联性；深入理解梯度序构纳米孪晶与析出相的强韧化机制，为发展高强度、高塑性金属材料提供理论依据。

强度和塑性是工程结构材料设计和应用的两个重要指标，而材料强度和塑性通常存在着此消彼长的倒置关系，如何提高金属材料的强度，使其具有很好的塑性成为材料研究领域亟待解决的科学难题。结合纳米孪晶结构和梯度纳米材料的优势，制备梯度纳米孪晶材料或将成为提高材料力学性能的潜在有效途径。本项目提出梯度序构纳米孪晶与析出相强化的概念。梯度序构纳米孪晶与析出相合金同时具有纳米孪晶和析出相所特有的、以及它们之间协同、耦合所附加的加工硬化能力，使梯度序构纳米孪晶与析出相合金具有更好的力学性能。.我们在铜合金和高温合金中研究制备了梯度序构纳米孪晶与析出相结构材料；表征了梯度序构纳米孪晶与析出相高温合金的微观结构，建立了梯度序构纳米孪晶与析出相合金微观结构-力学性能-变形机制之间的联系；析出相随机分布和序构于晶界的两种CuCrZr合金纳米晶粒热稳定性的研究结果显示，当析出相在纳米晶粒中随机分布时，纳米晶晶粒长大的起始温度为523 K，而析出相分布于纳米晶晶界的 CuCrZr合金，其纳米晶晶粒长大的起始温度相比于析出相随机分布于晶内的 CuCrZr合金提高了200 K。这是由于晶界上的析出相比随机分布于纳米晶粒中的析出相对晶界的钉力更大，从而提高了纳米晶粒的热稳定性。理解并澄清了梯度序构纳米孪晶与析出相合金的强韧化机制。析出相钉扎晶界不仅能提高材料热稳定性， 还能明显提高纳米结构材料的强度。本研究工作为发展高强度、高塑性金属材料提供了理论依据。.