延性金属动态拉伸断裂的微结构演化研究

Under dynamic loading, tensile stress will be produced due to the rarefaction wave interaction inside the material and tensile fracture in materials will start from the microvoids or cracks caused by tensile stress. The location and quantity of macrovoids or cracks are closely related to microstructure of the material, such as dislocations, grain boundaries and inclusions. In-depth understanding of mechanism and laws of the microstructure dynamic evolution, exploring and establishing a failure theoretical model with predictive ability which can connect different scale, achieving the transition from “observation” to “control” for the material, not only is necessary for raising the level of material research and design, but also is significant for improving the strength and performance of defense equipment and civilian materials. Based on the traditional methods, advanced experimental and test technology mastered by applicant , and cooperation with the U.S. Argonne National Laboratory, the applicant intends to apply static and dynamic in-situ measurements of synchrotron radiation X-ray to the study of the dynamic evolution mechanism of microstructure for ductile metal, which can provide more realistic and reliable experimental data for exploring and building a damage evolution model related to the microstructure of materials.

在动载荷作用下，材料的拉伸破坏始于内部稀疏波相互作用产生的拉伸应力引起的微孔洞或裂纹，而微孔洞或裂纹的出现位置和数量与材料微结构密切相关，比如位错、晶界或夹杂往往会成为材料破坏的起源。深入认识拉伸应力下材料微结构的动态演化机理和规律，探索和建立一个能够连接不同尺度且具有预测能力的材料失效理论模型，实现对材料从其行为的“观察”转变到对其性能的“控制”，不仅是提高材料研究和设计水平的必要前提，而且对提高国防装备及民用材料的强度和性能均具有重要意义。本项目拟在传统方法的基础上，利用申请人目前所掌握的先进实验和测试技术，并与美国Argonne国家实验室合作，拟将同步辐射X射线静态和动态原位测试技术用于延性金属微结构动态演化机理的研究中，为探索和建立与材料微细观结构相关的损伤演化模型提供更为真实可靠的实验数据。

本项目针对NSAF联合基金“培育项目”的明确目标课题——1.延性金属动态拉伸断裂的微结构演化研究提出，申请时的研究内容如下：(1)实验研究典型微结构对材料断裂的影响。采用同步辐射X射线2D投影和PCI等技术，研究高应变速率拉伸断裂过程中，延性金属材料的典型微结构（晶粒尺度、晶粒取向、晶界等）对宏观断裂特性的影响。(2)多种手段和技术对材料微结构演化进行深入表征。分析在拉伸断裂的不同阶段中微结构的演化机理，深入认识动态断裂特性与材料微结构演化的内在关系。在传统冲击回收实验的基础上，结合电子背散射衍射（EBSD）技术和同步辐射X射线3D断层成像（Tomography）技术，对材料微结构及损伤演化过程进行深入研究。(3)探索和建立与材料微结构相关的损伤演化模型。针对微观-细观-宏观的损伤特征，探索建立一种能够连接不同尺度且具有物理描述能力的与材料微结构相关的损伤断裂模型。. 针对本项目的计划要点和预计研究成果，课题组认真详细地完成了各要点的计划内容。本课题选取几种具有代表性的延性金属材料（高纯铝、铝双晶、孔隙铝和颗粒物增强铝基复合材料），对这些材料开展动态拉伸实验，利用各种先进的表征手段（SEM、EBSD、同步辐射X-ray），对回收样品或者样品动态损伤演化过程进行全方位的表征和分析，获得了许多有价值的结论，试图找到延性金属拉伸型动态损伤演化各个阶段的特点以及影响损伤演化发展的关键因素。通过这一项目的研究，课题组在AIP Advances, Materials Science& Engineering A, Review of Scientific Instruments等国内外知名期刊上发表文章7篇，其中6篇被SCI收录，1篇被EI收录，以这一项目为基础，培养了2名参研青年，3名硕士，1名博士，在国内外重要会议上作了报告，课题组高质量地完成了各项研究目标和任务。