纳米混合结构材料的制备和强、韧化机理研究

A mixed nanostructure consisting of nanotwins and recrystallized grains was prepared by dynamic plastic deformation and subsequent annealing for improving the ductility of nanocrystalline materials. In this proposal, the mechanism for strengthening and toughening of the mixed nanostructure was investigated based on the preparation, microstructures and mechanical properties of our previous work. The following investigations will be carried out: the preparation of the mixed nanostrucutre with different volume fractions and spatial distributions of nanotwins and recrystallized grains, the relationship of strength with microstructures, spatial distributions and volume fractions of nanotwins, the effects of ductility on microstructures, spatial distributions and volume fractions of nanotwins and the connection of stress and strain between nanotwins and recrystallized grains. The above investigations would provide the principle and preparation methods of the mixed nanostructure with a high strength and a high ductility.

针对纳米金属材料塑性差的问题，本研究组提出通过动态塑性变形及随后退火，制备由纳米孪晶和再结晶晶粒组成的纳米混合结构，以提高纳米材料的塑性变形能力。本项目拟在前期纳米混合结构铜制备、微观结构和力学性能研究基础上，研究纳米混合结构材料的制备和强、韧化机理：通过不同的变形方式和途径，并通过随后的退火处理，研究制备纳米孪晶和再结晶晶粒体积百分数大小、空间分布特征不同的纳米混合结构材料；纳米孪晶结构特征、纳米孪晶束尺寸大小、空间分布特征及体积百分数与强度的关系；再结晶晶粒结构特征、再结晶晶粒团簇大小、空间分布特征及体积百分数对塑性的影响；纳米孪晶"强化项"与再结晶晶粒"韧化项"之间应力和应变传递、耦合。为制备高强度和高塑性纳米混合结构材料提供理论依据和制备方法。

针对金属材料中强度与塑性不可兼得的科学难题，该项目提出制备纳米孪晶和再结晶粗晶组成的纳米混合结构提高材料的强、塑性匹配。在国家基金委基金支持下，该项目在铜及其合金和不锈钢中通过塑性变形和随后退火成功制备纳米孪晶混合结构，研究了纳米孪晶混合结构材料的制备和强、韧化机理。研究发现，纳米孪晶混合结构具有优异的强塑性匹配，纳米孪晶强化材料同时也表现出一定的塑性，再结晶则具有很好的塑性。纳米孪晶与基体具有较好的塑性变形协调能力，当小应变量变形时，纳米孪晶和粗晶发生均匀塑性变形，二者的界面变形特征与其它粗晶晶界并无明显不同，在界面处没有产生明显的应变集中。拉伸变形初期，纳米孪晶具有一定的拉伸塑性和加工硬化能力，其塑性变形方式主要通过位错穿过或塞积于孪晶界，以及贯穿位错在孪晶/基体层片内的受限运动两种模式进行。当应变量较大时，纳米孪晶和纳米孪晶周围的粗晶发生非均匀塑性变形。纳米孪晶发生退孪晶或剪切带的局域塑性变形。在纳米孪晶/粗晶界面处产生应力集中，纳米孪晶周围的粗晶产生明显的应变梯度，随距孪晶/粗晶界面距离的增大应力集中逐渐减小。紧邻纳米孪晶的一些粗晶发生孪生变形，而对于远离纳米孪晶的粗晶，位错滑移仍是主导的塑性变形方式。