纳米结构金属形变诱发结构细化与亚稳相变行为及机制研究

Introduction of high plastic strain has been widely used for fabrication of nanostructured or ultrafine-grained metals. Besides microstructure refinement/nanocrystallization, various non-quilibrium phase transformation behaviors have been found in materials under high strain levels, for which understanding is still in progress. For a clarification of the critical mechanism of boundary evolution in the strain induced structure evolution, this project measures quantitatively the variation and distribution of critical structure parameters with strain, to reveal the different stages in structure evolution and different mechanisms in boundary evolution, and concluds that the tranfer between different energies is the main mechanism that dominants the structure evolution. For the strain induced reverse martensitic transformation in NiTi, possible effects of deformation temperature is clarified, and the idea of "critical strain" is further proposed, by considering the different contributions of dislocation and grain boundary to the thermodynamics and kinetics of martensitic transformation,which is verified by experiments with also an understanding of the mechanism. The conclusion is futher applied to other materials and it is believed that the increase of defects/dislocation and grain boundaries induced by deformation is the main reason for strain induced non-quilibrium phase transformation in metals. This study is important for an understnding the structure evolution and deformation mechanism of materials under high strain and fine structure scale, as well as for fabrication of new metastable materials.

通过各种手段引入大的塑形变形是目前制备纳米或超细结构金属材料的主流方法。除结构细化/纳米化之外，强变形条件下材料还表现出许多非平衡相变行为，而人们对相关现象的认识仍有待提高。本项目针对应变诱导结构/晶粒细化中界面演变的关键问题, 通过在同一样品中引入梯度应变,重点利用背散射电子衍射手段定量分析显微结构关键参量及其分布随应变连续变化规律, 揭示结构演化的不同阶段及界面演化的不同机制，提出变形能-位错应变能-晶界/界面能之间的转换是主导结构演化的根本原因; 针对NiTi合金变形诱发马氏体逆相变现象，在澄清温度影响基础上，考虑位错和晶界/界面对相变热/动力学的不同作用，提出"临界应变量"概念，并通过实验求证和澄清机理，进而指出变形引起的缺陷/位错密度以及晶界体积分数的增加是应变诱发材料非平衡相变的主要原因。本研究对理解金属材料在高应变及小尺度下的结构演化和变形行为及制备新型亚稳材料具有重要意义。

针对应变诱导金属结构/晶粒细化中界面演变机制和亚稳相变的原理，本项目重开展了应变诱导金属连续结构演变和NiTi合金形变诱导马氏体逆相变行为等两个方面的研究。针对第一个问题，以纯金属为研究对象，通过表面高压滚压塑性变形，成功实现在其表面较大深度范围内（~2mm）引入梯度应变，获得随深度/应变连续变化的细化晶粒组织。利用EBSD和TEM等手段，对界面间距和界面取向差等结构参量进行定量表征。研究结果发现，纯铜形变诱导结构演变中晶界取向差变化存在不同机制：当应变量较小时，由晶内位错运动机制主导，当应变量较大时，由晶粒/亚晶转动机制主导。同时，高的应变梯度有利于减小几何必须位错界面间距，从而促进结构细化。针对第二个问题，以具有马氏体相变行为的NiTi合金为研究对象，对其分别采用表面机械研磨和轧制变形处理，获得应变梯度样品，利用SEM、TEM等手段，观察不同应变量对应的微观结构（相结构、晶粒大小和缺陷密度等）。对轧制变形样品，结合XRD，TEM等手段，运用热分析测量不同应变量样品马氏体相变及逆相变的热力学参数，如相变温度、焓变等，分析应变量对马氏体相变及逆相变热力学的影响规律。研究结果发现：（1）NiTi合金梯度微纳米复合相结构表层的形成起因于形变诱导的结构细化与亚稳相变的协同作用，其中形变诱导的马氏体相变和逆相变是形成梯度复合相组织的直接原因，并对结构纳米化起到显著促进作用；（2）冷轧NiTi合金结构与性能随形变量的变化表现出不同阶段特征，与不同的结构演变机制相关：马氏体的变形与细化、形变-相变耦合诱导晶粒细化、动态再结晶；（3）冷轧NiTi合金退火引起硬化现象，其原因为发生了马氏体逆相变，即由高应变马氏体相转变为纳米晶奥氏体相，这一过程引起晶粒进一步细化；（4）NiTi合金中存在形变诱导马氏体逆相变，通过形变-相变耦合可以促进结构细化，即在较低的应变水平下获得更细纳米晶结构。（5）NiTi合金发生应变诱导马氏体逆相变的临界变形量为~20%，其微观组织特征为为高应变马氏体通过逆相变形成纳米晶奥氏体，马氏体逆相变的驱动力为形变引起的马氏体自由能增加而导致的失稳。本项目研究成果对于理解高应变条件下的金属非平衡结构与相变行为及其共同本质，以及更好地运用形变手段调控材料的结构与性能具有较重要的学术价值，同时研究中发现的形变-相变耦合纳米化机制为制备复合纳米结构材料提供了新的思路。