块体面心立方纳米晶金属在室温下塑性回复力学行为及其机理的研究

Due to lacking effective pinning points in the grain interior, the frequently opposite sign dislocations offsets and dislocation-grain boundary (GB) interactions render the microstructures have new distribution, making the nanocrystalline (NC) metals have dynamic recovery processes that can be only found in the hot deformation of coarse-grained metal. All of these defect interactions make the plastic deformation of NC metals occur at room temperature. Using the method of rapid stress reduction and holding could effectively separate the dynamic recovery from strain hardening and obtain the mechanical response of the dynamic recovery solely. Based on it, this proposed project is aim to study the factors of initial structure and GB structure influence on the plastic recovery in the bulk NC metals via the rapid stress reduction and holding under conditions of the different loading strain rate, grain size and plastic strain. Due to the high volume fraction of the GBs, the high resulting defect density in the unstable plasticity such as points defect, dislocations, GBs and their reaction products provide a high deriving force for dynamic recovery. Therefore, based on the composite model of soft and hard regions, establishing the relationship between the microstructure evolution and dynamic recovery could help us to understand deeply about the plastic recovery and the corresponding deformation mechanism, which could enrich theoretical knowledge of plasticity in the NC metals.

纳米晶金属由于缺少有效的晶内钉扎，频繁的异号位错对消及位错—晶界反应会驱使内部的微观组织结构重新排布，使得纳米晶材料在室温下就具备粗晶材料在高温变形下的动态回复效应，促使着塑性回复成为可能。通过快速应力卸载再保载实验能够有效地将动态回复与应变硬化作用分离，可获得室温下塑性回复的力学响应信息。基于此，本申请项目旨在针对于面心立方块体纳米晶金属材料，通过在不同加载条件、不同晶粒及不同应变量的纳米晶金属开展快速应力卸载再保载实验，研究不同初始结构、不同晶界结构对塑性回复相关塑性流变的影响。由于纳米晶金属本身含有高体积分数的晶界结构，不稳定态塑性变形中高密度缺陷如点缺陷、位错、晶界之间的相互反应为动态回复提供了极大的驱动力。因此，基于软/硬区复合力学模型，通过构建动态回复中微观组织结构演变与塑性流变之间关联，可深化纳米晶金属的塑性回复相关力学行为及其机理的认识，这极大地丰富纳米晶金属塑性变形理论。

纳米晶金属由于位错滑移时缺少晶内有效的钉扎，频繁发生的异号位错对消及位错—晶界反应会驱使材料内部的微观组织结构重新排布，这使得纳米晶金属在室温下就能发生动态回复效应，塑性回复现象成为可能。快速应力卸载再保载实验能够有效地将应变硬化与动态回复阶段分离，获得卸载时动态回复的力学响应信息。本项目在不同加载条件、不同晶粒及不同应变量的纳米晶金属开展快速应力卸载再保载实验，研究不同初始结构、不同晶界结构对面心立方块体纳米晶金属材料塑性回复相关塑性流变的影响。研究结果表明，在晶粒尺寸细小及高温条件下，动态回复效应显著且塑性回复更为明显，应变量对塑性回复影响并不明显。通过透射显微镜观察及软/硬复合力学模型得出，当施加应力大于材料内应力时，位错滑移方向与加载方向一致，塑性应变发生；当施加应力等于材料内应力时，位错处于静止状态，不会发生塑性应变；当施加应力小于材料内应力时，位错会反向滑移，会发生塑性回复现象。塑性回复是纳米结构不均匀所导致局部应力分布不均匀，进而形成一种不同于粗晶材料特有力学现象，当材料在加载条件一定时，材料塑性应变实际上是应变硬化和动态回复达到平衡态的准静态变形，应变量的变化并不会影响材料卸载后的塑性回复现象。本项目研究的对象是面心立方纳米晶镍，通过构建纳米晶金属动态回复中微观组织结构演变与塑性流变之间关联，可预测通过添加高熔点或抑制位错运动的固溶性金属元素，在阻碍位错滑移时能有效提高纳米晶金属的力学热稳定性能，这对后续制备高温条件下热稳定性纳米结构材料提供依据。