金属材料纳米孪生能力的理论预测与原子层次模拟

金属强韧化是长久以来物理冶金领域最受关注的难题之一。实验已经证实，实现金属中纳米孪晶片层的引入与控制是金属强韧化的有效途径。然而，孪晶强韧机制尚待澄清，且实验现象仍需通过理论的方式得以阐释与推广。本项目围绕最新实验技术- - 动态塑性变形（DPD）技术发展的需求，借助理论与计算机模拟相结合的手段，对金属纳米孪生能力展开深入的研究。具体内容包括：基于第一原理计算，获得面心立方、体心立方和六角密排金属中层错能的标度规律及合金化效应；通过对电子结构特征的分析，理解电子结构组态响应与标度规律的内在关联；结合晶格位错理论及原子尺度模拟，研究晶界处位错滑移及孪晶发射的竞争机制；综合考虑金属本征性能与微观组织影响因素，完善孪生动力学模型，并籍此预测金属纳米孪生能力。本项目旨在从原子及电子层次建立金属孪生过程的理论基础，为金属强韧化的实验研究提供必要的理论指导。

建立金属层错能标度规律是定量研究金属材料纳米孪生能力的基础。近年来，人们通过实验揭示了层错能对金属强韧化机制的重要影响，并发现金属的孪生能力由稳态层错能与非稳层错能共同决定。在本项目中，通过广义层错能（GSFE）计算，发现一个仅与层错行为本身相关而对大多数面心立方金属普适的规律，揭示了层错/位错/孪生之间相关联的本质，并以此为基础提出了简化的金属孪生能力判据和本构关系。借鉴fcc金属孪晶形成能力判据，建立了适用于hcp金属基面变形机制的判据。合金化能够影响变形机制的选择，基于广义层错能及金属孪生能力判据，考虑了不同合金元素的电子结构特征极其可能导致的不同合金化效果，预测了材料在特定应力条件下优先发生的变形机制。本研究从理论上理解纳米孪晶强韧化效果，有助于实现多尺度强韧金属设计与制备。