块体纳米孪晶混合结构纯Cu的疲劳性能及机制研究

Trade-off relationship between high-cycle fatigue (HCF) property and low-cycle fatigue (LCF) property is universally observed in conventional coarse-grained metals and ultrafine-grained (or nanograined) metals due to the mismatch between their strength and ductility. Recent studies reveal that nanotwinned structure exhibits an excellent combination of strength and ductility. In this project, bulk Cu samples with mixed nanotwin structures will be produced by means of dynamic plastic deformation (DPD) at liquid nitrogen temperature and the following thermal annealing process. The overall fatigue properties of DPD Cu with mixed nanotwin structures will be systematically investigated, under stress and strain controlled fatigue tests, respectively, with a special focus on their cyclic deformation and fatigue damage mechanisms. The stability of nanoscale twins fatigued under different stress/strain amplitudes as well as the influence of nanoscale twins on the overall fatigue properties of DPD Cu with mixed nanotwin structures will be uncovered. This project is hoped to lay a theoretical and experimental basis for designing pure metals and alloys with excellent fatigue properties via tailoring multi-scale architecture.

由于强塑性不匹配, 传统粗晶和超细晶(或纳米晶)金属材料普遍存在高周–低周疲劳性能“倒置”关系。研究发现，纳米孪晶强化可有效改善材料强度–塑性匹配。本项目拟利用液氮温度下动态塑性变形技术(DPD)及后续热处理工艺制备块体纳米孪晶混合结构纯Cu样品，系统研究其在应力和应变控制条件下的高、低周综合疲劳性能。重点阐明纳米孪晶混合结构的循环变形与疲劳损伤机制；澄清纳米孪晶结构在疲劳过程中的稳定性, 以及对纳米孪晶混合结构纯Cu疲劳性能的影响，为指导多级纳米结构设计与调控, 以获得具有优异疲劳性能的金属材料提供实验和理论依据。

本项目主要利用动态塑性变形技术成功制备了块体纳米孪晶/变形结构和纳米孪晶/再结晶结构样品，并系统研究其在应力和应变控制条件下的高、低周综合疲劳性能及机理。主要研究成果包括:(1)通过引入一定体积分数的纳米孪晶结构，可以显著提高纳米孪晶混合结构的应力控制高周疲劳性能。尤其是低强度的纳米孪晶/再结晶结构具有与高强度纳米孪晶/变形结构相当的疲劳极限，与传统Basquin公式预测的疲劳规律不同。这主要归因于纳米孪晶和周围的再结晶可以协同承担循环塑性应变，有效抑制应变局域化，与纳米孪晶/变形结构在变形结构的应变局域化和传统第二相强化金属应变局域化行为截然不同；(2)应变疲劳时，高强度纳米孪晶结构的引入不仅可显著提高纳米孪晶混合结构的循环响应水平，还可有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，显著提高两类纳米孪晶混合结构的应变疲劳寿命。尽管纳米孪晶/再结晶结构具有较低的塑性，但由于其在应变疲劳时应变局域化的变形机制，因而具有明显优于纳米孪晶/变形结构金属，并且与粗晶相当的低周疲劳寿命。两类纳米孪晶混合结构的循环软化主要由变形结构发生回复和结构粗化引起，预计通过减少变形结构体积分数可以进一步减缓软化程度。(3)另外，发现了变形纳米孪晶结构具有非对称循环响应行为，同时揭示了梯度纳米结构的高低周疲劳性能和独特的晶粒长大行为。本项目的研究成果为指导多级纳米结构设计与调控,以获得抗疲劳的金属材料提供实验和理论依据。