离子辐照条件下金属材料力学性能的纳米压痕研究

In terms of tungsten, copper and stainless steels, we intend to analyze the mechanical behaviors of ion-irradiated metals with the technique of nano-indentation, which includes three methods of theoretical modeling, numerical simulation and experimental verification. First, for theoretical modeling, a hardening analysis model will be proposed for both surface and cross-sectional nano-indentation, which covers the influence of the gradient distribution of irradiation-induced defects, nano-indentation size effect and unirradiated substrate. Second, in terms of numerical simulation, the crystal plasticity finite element method will be established considering the effect of non-uniform distributed defects and nano-indentation size effect. With the application of this framework to tungsten and copper, the macroscopic mechanical behavior can be systematical study at different ion irradiation conditions and nano-indentation ways. Finally, related experiments will be performed to offer effective experimental data to verify the results of theoretical models and numerical simulations. This project aims to obtain a deep understand of the mechanical behavior of ion-irradiated metals, and provide a solid theoretical and simulation fundament for the design and optimizing of anti-irradiation materials.

本项目拟针对纯金属钨、铜以及不锈钢材料，通过理论建模、数值模拟和实验验证三种研究手段，开展受离子辐照材料力学性能的纳米压痕研究。在理论模型方面，建立表面纳米压痕和横截面纳米压痕情况下的硬度分析模型，考虑缺陷密度梯度分布、纳米压痕尺寸效应以及未辐照基底的共同影响；在数值模拟方面，建立考虑离子辐照缺陷非均匀分布和纳米压痕尺寸效应的晶体塑性有限元模拟体系，模拟金属钨和铜在不同离子辐照和纳米压痕条件下的宏观力学性能及其微结构演化情况；在实验验证方面，设计离子辐照和纳米压痕实验，对比实验数据与理论模型和数值模拟的结果，进行相互验证。本项目对深入理解及研究受离子辐照材料力学性能的辐照效应具有重要的意义，并且能够为设计和优化良好的抗辐照材料提供可靠的理论和模拟依据。

核材料的力学性能研究对核能的发展至关重要。结合离子辐照和纳米压痕技术是目前研究辐照效应的主要手段。本项目针对典型的核材料，结合理论建模、数值模拟和实验验证三种研究手段，开展辐照效应的机理性研究。在考虑微观缺陷的前提下，建立了具有显示表达的硬度-压入深度分析模型，通过对比不同核材料在不同辐照条件下的数据数据，验证了模型的可靠性和普适性；建立了基于应变梯度理论的受离子辐照材料纳米压痕晶体塑性有限元模拟体系，分析了不同核材料在辐照前后的宏观力学性能及其微结构演化情况；设计了不同辐照条件和温度条件下的离子辐照和纳米压痕实验，对比实验数据与理论模型和数值模拟的结果，进行相互验证。本项目对深入理解及研究受离子辐照材料力学性能的辐照效应具有重要的意义。依托本项目，共发表SCI论文15篇，包括JMPS、IJP和IJSS等，成功获批国家自然科学基金面上项目1项，获得发明专利1项。