界面非均匀分布的纳米多层结构金属材料的强韧化机制研究

Extensive experiments have shown that heterogeneous interfaces of high density render nanolayered metallic materials ultrahigh strength, which provides a new route for developing strong and ductile materials of next generation. However, the heterogeneous interfaces lead to severe deformation incompatibility, e.g., strong extrusion of soft layer or plasticity instability, and in turn the poor toughness, which sets up a great setback for its engineering applications. The project is aiming at synthesizing a new type of non-uniformly nanolayered metallic materials by tailoring the distribution of the interfaces, in order to eliminate the deformation incompatibility, and ultimately enhance the toughness. First, magnetron sputtering will be used to fabricate nanolayered Cu/Zr and Cu/amorphous CuZr samples. Secondly, micropillar compression and transmission electron microscopy will be employed to quantify the deformation compatibility and the strength of the new structures. Furthermore, molecular dynamics simulations will be used to investigate the interaction between dislocations and interfaces, in order to reveal the effect of non-uniform interface structure on the deformation compatibility as well as the strength and ductility. Finally, a dislocation based micro-mechanical theory will be developed to provide guidelines for achieving high strength-high ductility synergy. The project is expected to play an important role in achieving light weight, high strength and high ductility in big plane, aerospace, and automobile, etc.

大量实验研究表明，高密度异质界面使得纳米多层结构金属材料具备超高强度，为发展下一代高强高韧材料提供了新的途径。然而，异质界面也导致了严重的形变不协调问题，如软层的强烈挤出或整体的塑性失稳，致使韧性较差，极大地限制了其工程应用。本项目旨在通过调控界面的分布，合成一类新型的非均匀纳米多层结构金属材料，以消除层间形变不协调问题，提升其韧性。首先，以典型的软/硬组元——铜/锆与铜/非晶铜锆——构成的纳米多层结构材料为研究对象，利用磁控溅射制备样品；其次，通过微柱压缩与透射电镜定量表征组元层间形变协调性与强度；再者，结合分子动力学模拟研究位错与各类界面之间的相互作用，阐明非均匀界面结构对形变协调性与强韧性能的影响机制；最后，发展基于位错的细观塑性力学理论，为实现高强度-高韧性的优异匹配提供科学依据。项目研究成果将为满足人类在大飞机、载人航天、汽车制造等行业轻量化、高强、高韧等需求发挥重要作用。

纳米多层结构金属复合材料具有超高强度，在航空航天、汽车制造等军用与民用领域有广阔的应用前景。然而，纳米多层结构的高密度异质界面使得位错运动受限，易于发生剪切失稳与剪切断裂，导致其韧性较差，不利于其工程应用。本项目旨在通过调控界面的非均匀分布，抑制剪切失稳与断裂，提升其韧性，发展一类新型纳米多层结构金属复合材料。主要研究内容如下：1）利用磁控溅射方法制备Cu/Zr纳米多层结构样品，精确构筑一类非均匀分布的界面微结构；2）通过微纳力学实验定量表征多层样品的强度与变形性能，并结合原子模拟研究位错与非均匀分布界面之间的相互作用，阐明非均匀分布界面对强韧性能的影响机制；3）发展新型纳米结构金属复合材料的细观力学理论，为非均匀分布界面的优化设计提供定量的理论依据。项目取得以下研究成果：1）实现了纳米多层结构Cu/Zr金属复合材料非均匀界面的实验设计与力学表征；2）建立了界面非均匀分布双相纳米结构金属复合材料的细观力学理论；3）揭示了界面非均匀分布梯度纳米金属材料的多剪切带变形机制。项目研究成果为新型高强韧纳米结构金属复合材料的强韧化设计提供了新的科学方法。