面心立方金属静力韧性的内外尺度效应研究

Grain size and sample dimension play a key role in determining the strength, plasticity and toughness of metallic materials. In current project, we intend to reveal the effect of grain size and sample dimension on the toughness of some typical face-centered cubic metallic materials via systematic experimental investigations and physical modeling. Firstly, we will measure the tensile properties of pure Cu and precipitation hardenable Al-4%Cu alloy with different grain size. We try to reveal the effect of grain size on the yielding strength, work hardening, necking behavior, deformation mechanisms and toughness evolution of face-centered cubic metallic materials. Secondly, we will employ in-situ, quantitatively tensile test under TEM to unveil the effect of sample dimension on the yielding strength, work hardening, strain burst, dynamic deformation mechanisms and toughness evolution. In current small volume crystal mechanical tests, we will introduce some grain boundaries with random orientations and unshearable precipitates to prevent commonly observed strain burst and enable dislocation storage thus lead to work hardening and uniform deformation in small volume crystals. The in-situ tensile tests under TEM can reveal the detailed interactions between dislocations and grain boundaries or precipitates, which will assist the understanding of the grain size and sample dimension effect in metals. Lastly, based on the proposed systematic experimental studies and modeling efforts, we will build a new physical model according to Hall-Petch relationship, Kock-Mecking model, Talyor equation and Considère criteria etc to describe the evolution of toughness with grain size and sample dimension in typical face-centered cubic metallic materials. Our systematic experimental studies and the new physical model will guide the quantitatively design and fabrication of high toughness face-centered cubic metallic materials.

晶粒尺寸和样品尺度对金属材料的强度、塑性和韧性有重要影响。本项目拟采用实验和建模相结合的方法，选取各向同性强化的铜和随动强化的铝铜合金，研究其拉伸静力韧性随晶粒尺寸和样品尺度的演化行为。通过研究铜和铝铜合金的静力韧性随晶粒尺寸（100纳米到200微米）的变化，揭示最佳韧性对应的晶粒尺度。通过原位微纳尺度拉伸实验，研究含多个晶界的铜和沉淀强化铝铜合金的静力韧性随样品尺度（100纳米到10微米）的变化，揭示最佳韧性对应的样品尺度。为实现小尺度样品中的位错存储、加工硬化和稳态变形，研究中将引入多个晶界或非剪切沉淀相颗粒。原位研究能揭示位错与晶界或沉淀相的动态交互作用机理，有助于深入理解金属材料的内外尺度效应及其相互关系。基于实验研究，并结合Kock-Mecking等物理模型和进一步理论创新，建立描述典型面心立方金属材料拉伸静力韧性内外尺度效应的新物理模型，为设计高韧性金属结构材料提供指导。

本项目针对微纳尺度金属材料变形的弱点，如应变突跳频繁、无加工硬化能力和无均匀变形能力，提出以面心立方金属为模型材料，研究其力学性能的内外尺度效应，发展新型调控方法。采用各向同性强化的铜和随动强化的铝合金作为研究对象，研究其在拉伸过程中的样品外观尺度和内部缺陷尺寸对力学行为的影响。本项目先后阐明了纳米氦泡对微纳尺度铜单晶的塑性变形机理的影响，发现纳米氦泡可以改善单晶铜的塑性变形能力，揭示了铜中纳米氦泡可以作为活跃的内部位错源，研究了纳米氦泡和位错或孪生的交互作用方式，发现了氦泡分裂新型微观损伤机制，提出运用纳米氦泡调控微纳尺寸形状记忆合金的超弹性性能的新方法。研究了含第二相的铝铜合金的原位拉伸和压缩变形机制，发现超薄表面氧化膜和第二相可以显著提高微纳尺度材料的变形稳定性、改善位错存储能力并提高加工硬化能力；运用位错理论和Kock-Mecking加工硬化理论等模型对微纳尺度面心立方金属的屈服强度、加工硬化行为和静力韧性进行了系统分析，揭示了内外关键结构尺寸对其力学性能的影响机理；发展了运用电子束辐照改善微纳尺度铝合金表面氧化膜的塑性流变来调控其塑性变形能力的方法，为微纳尺度材料塑性加工提供了新思路；通过球形样品的设计，观察到了微纳尺度样品从越小越强到应力平台的转变，成功在实验上测定了纯铁的理想强度。.在项目的资助下，先后在Nano Letters(2)、Physical Review Letters(1)、Advanced Materials(1)、Acta Materialia(4)等期刊发表SCI论文12篇，申请专利6件，获得授权2件，先后受邀在美国MRS、美国TMS、中国材料大会、新材料发展趋势高层论坛、全国电镜大会、全国聚变堆材料会议等重要国内外会议做邀请报告10多次，并在美国2017年MRS春季会议举办高性能金属材料分会，受邀在国家自然科学基金委主办的SCIENCE FOUDATION IN CHINA介绍研究成果，研究工作也多次被基金要闻、材料人、西交大主页等媒体和网站进行报道。相关论文已获得同行的积极引用（>80次）并被知名海外教授在近期的综述论文和研究报告中广泛推荐。