梯度层片纳米晶结构的均匀拉伸塑性与应变硬化机理研究

The most nano-structured (NS) metals of dislocation-mediated plasticity have ultra-high strength but disappointed low uniform tensile elongation (ductility), due to their low strain hardenability upon tensile deformation. Recently, the grain-size gradient NS metals exhibit strong capacity of strain hardening, which is expected to break through the barrier of low ductility for their structural application. In this project, the applicant aims, firstly, at designing and fabricating the gradient lamella NS metals of several kinds, by using the technique of severe plastic deformation followed by the recrystallization annealing treatments. Secondly, various mechanical tests are conducted, including uniaxial tension, stress relaxation, loading-unloading-reloading, in situ SEM and DIC testing, together with micro-hardness measurements, for the purpose of investigation of stress-strain responses and plastic deformation behaviors at both macro- and micro-scale. Thirdly, by using the transmission electron microscopy, the microstructures are studied, e.g. the generation, patterns, and distribution of dislocations, twins and grain boundaries during plastic deformation and their dependence with grain sizes. Special attention is paid on their interplay and evolution with plastic strains. Finally, the applicant tries to unveil the relationship among the gradient structures and mechanical responses and to clarify the mechanisms of both plastic deformation and strain hardening in the gradient lamella nanostructured metals.

高强度纳米晶结构金属的低应变硬化能力导致了很低的拉伸均匀伸长率(塑性)，而晶粒尺度为梯度分布的纳米晶结构展现出强应变硬化的特征，有望突破制约纳米晶结构应用的低塑性瓶颈。拟利用塑性变形与再结晶退火技术，设计并可控制备具有梯度层片纳米晶结构的金属材料，进行单轴拉伸、应力松弛、加卸载以及显微硬度等性能测试，以及SEM加载台和DIC等原位测试，研究强度塑性性质、宏/微观塑性变形行为；利用电子显微技术等研究晶粒尺寸与相组成及其梯度分布特征，拉伸变形过程中位错、孪晶、晶界等晶体缺陷的形成、增殖、组态/分布及其与晶粒尺度的相关性，着重探究晶体缺陷交互作用行为及其随应变的演化过程。揭示并建立宏观力学响应与微结构、塑性变形参量之间的关联，阐明梯度层片纳米晶结构的微观塑性变形和应变硬化机理。本项目旨在以获得纳米晶结构的大塑性为牵引，以力学微观塑性变形和微结构设计为基础，阐明梯度层片纳米晶结构应变硬化机理。

以提升金属材料的屈服强度和均匀拉伸伸长率两者匹配、特别是高、超高屈服强度下的匹配等级为目标，提出了异构 (heterogeneous grain structures, or hetero-structures)的微结构设计概念，以及利用异构实现强度-塑性优异匹配的策略。选取了不同晶体结构的典型金属材料，包括单相面心立方结构的等原子比中/高熵合金CoCrNi和304L不锈钢、密排六方结构的Ti、体心立方结构的无间隙原子IF钢、高比强度的双相FeMnAlC钢、镁合金等，利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨(HR-TEM)等进行微结构的分析与表征；进行了拉伸性能和冲击韧性、动态剪切性能等不同温度和不同应变速率的测试，研究拉伸性能、冲击韧性以及动态剪切性能；进行拉伸测试、加载-卸载-再加载拉伸测试、拉伸应力松弛测试、数字图像耦合全场应变测试、高能同步辐射原位XRD测试等，研究塑性变形机制以及应变硬化、强化机制。取得如下主要研究进展。首先，针对传统、均匀的粗晶微结构，设计并提出了异构设计的多种微结构方案，包括非连续纳米层片异构 (PNAS USA 2015)，三级晶粒构筑异构 (PNAS USA 2018)，纳米孪晶异构 (Scr Mater 2019, 2020)，以及跨尺度纳米梯度结构。其次，上述这些异构，特别是在高和超高屈服强度条件下，显著地提高的均匀拉伸伸长率、即塑性，同时显著提升了材料的强度-塑性的匹配整体水平。异构提供了双重的应变硬化效应，一是异质界面(hetero-interfaces)处应变梯度诱导的异质变形硬化，二是恢复的林位错硬化。最后，基本阐明了异构的塑性变形、以及应变硬化和强化机制。项目执行期间，发表SCI论文35篇，其中通讯作者论文17篇，包括美国科学院院刊 PNAS USA 2篇，Mater Today 1篇，Acta Mater 3篇，Mater Res Lett 5篇，Scr Mater 3篇，Nature Commun 1篇。其中，首次提出原理的论文PNAS USA 2015 (11月7号发表，就是本项目申请书的支撑性前期工作)，迄今SCI引用306次，Google Scholar引用347次。