超高强度金属结构材料的相变诱发塑性机理研究

Ultra-high strength metal structural materials play important roles in the aeroengines, gas turbines and deep sea fields, which attracts major attention of the mechanical materials researchers. However, their limited plasticity seriously prevents their application. One of the key scientific issues is the improvement of their plasticity. In this proposal, we adopt phase transformation induce plasticity as key design idea to improve the plasticity of the ultra-high strength metal structural materials. The martensitic transformation is selected as a typical example. Martensitic transformation and matrix deformation are thought to be two main contents and will be systematically investigated by in-situ transmission electron microscopy experiments. The nucleation and growth of the martensite during transformation will be in-situ studied. The interaction of dislocations and martensites will be investigated to make clear the deformation of matrix. Dynamic stress and strain field will be obtained by digital image processing technology, which would be used to clarify the stress situation of martensitic transformation and matrix deformation. Crystallography, dislocation theory and micromechanics will be combined to clarify the martensitic transformation mechanism and establish the micromechanical mechanism of transformation induced plasticity. The whole result of this proposal will be an important reference for the toughening design of new ultra-high strength metal structural materials.

超高强度金属结构材料在“两机”、深海等尖端技术领域中具有重要应用，是国内外材料力学研究热点之一。然而其有限的塑性变形能力严重地阻碍了实际工程服役。改善超高强度金属结构材料的塑性是材料力学界共同关切的科学问题之一。本项目以相变诱发塑性为核心设计思想，以最有代表性的马氏体相变为切入点，利用原位透射电镜技术为研究相变诱发塑性的主要实验手段，围绕马氏体相变和母相塑性变形两大关键内容展开，系统研究超高强度金属结构材料的相变诱发塑性机理。首先通过在动态相变过程中原位观察马氏体形核与长大方式以揭示马氏体相变机理；并探索位错与马氏体的交互作用,明确母相塑性变形规律。然后基于原位实验结果利用数字图像处理技术获得相变过程的应力应变场，明确马氏体相变与母相塑性变形的应力条件。最后结合晶体学、位错理论和细观力学理论，建立相变诱发塑性的微观力学机制，为超高强度金属结构材料的韧化设计提供理论指导。

超高强度金属结构材料在“两机”、深海等尖端技术领域中具有重要应用，是国内外材料力学研究热点之一。然而其有限的塑性变形能力严重地阻碍了实际工程服役。改善超高强度金属结构材料的塑性是材料力学界共同关切的科学问题之一。本项目在国家自然科学基金资助下，开展马氏体相变诱发塑性机理研究，全面完成了研究计划，获得如下创新性结果：.1）.系统研究了马氏体相变过程中马氏体与位错、马氏体与晶界的交互作用方式。原位观察了动态相变过程中马氏体形核与长大行为，揭示了马氏体相变机理，明确了母相塑性变形规律。.2）.开展了大规模分子动力学模拟计算，明确了马氏体相变与母相塑性变形的应力条件，建立了相变诱发塑性的微观力学机制。.3）.利用马氏体相变在亚稳奥氏体不锈钢中实现强度和塑性同时提高，打破传统强度与塑性互斥的困局，提高了不锈钢疲劳极限。.4）.基于马氏体与晶界交互作用实现先进结构材料的强韧化设计。构建了双相超级纳米多级结构及其本构模型，预测的力学性能与实验结果高度吻合，基于马氏体相变，设计了高强高韧密排六方马氏体材料。.本项目研究结果在Physical Review Letters等期刊发表了14篇SCI论文，其中影响因子大于3.0的12篇，至2019年12月共被引用142次。关于原位透射电镜研究马氏体相变的方法以及利用马氏体相变实现不锈钢强韧化的材料设计思路与制备方法获得日本授权发明专利1项；中国授权发明专利3项，形成包括材料设计、制备和研究方法的自主知识产权体系；.通过与德国马普钢铁所、香港城市大学合作，深入探讨了马氏体相变强韧化机理，设计了梯度组织结构，获得900 MPa屈服强度和60%拉伸延伸率的高强高韧不锈钢材料。该材料作为永磁电机转子隔板部件，已应用于大功率永磁牵引电机样机，在世界首列时速 350公里高速列车实现装车试运行。