温度和应变速率耦合作用下纳米晶Ni压缩行为研究

Nano-Ni has application prospect in certain structures used in spacecraft due to its excellent mechanical properties including high strength and high hardness. The structural materials used in spacecraft will be working under the extreme environment with synergistic condition of temperature and strain rate. In order to develop and extend the space applications for nano-Ni material, it is very important to investigate deeply the mechanical behavior under synergistic condition of temperature strain rate for nano-Ni. It plans to describe the synergistic effect of temperature and strain rate on compression property of nano-Ni through measuring the compression stress-strain curve under various combined conditions of temperature and strain rate for bulk nano-Ni, and calculating the thermal activation parameters such as strain rate sensitivity exponent and activation volume. The research tries to reveal the deformation mechanism of nano-Ni at low temperature based on the exam and analysis of the microstructures such as grain size, structure of grain boundary, density and distribution of dislocation. The applied project investigates the mechanical behavior of nano-Ni from multiple factors and aspects using various experimental conditions and methods, and gives new understanding of deformation mechanism of nanocrystalline metals and present high scientific value.

纳米晶Ni具有高强度和高硬度的力学特性，在航天器结构中具有应用前景。这些结构的材料必须在温度和应变速率耦合作用的极端条件下服役。为了开发和扩展纳米晶Ni的空间应用，深入研究纳米晶Ni在温度和应变速率耦合作用下的力学行为具有重要的工程实际意义。本项目拟通过在不同温度及应变速率条件下，研究块体纳米晶Ni的压缩变形行为，获得应变速率敏感指数和激活体积等热激活参数，阐明温度和应变速率的耦合作用对纳米晶Ni压缩性能的影响，并基于对压缩变形前后晶粒尺寸、晶界结构、位错密度及分布等微观结构的测试和分析，运用塑性变形动力学和相关位错理论，揭示纳米晶Ni低温的塑性变形机制。通过改变试验条件和测试方法，多因素、多角度研究纳米晶Ni的力学行为，有助于对纳米晶金属塑性变形机制的再认识和新理解，具有很高的学术价值。

纳米材料由于具有优异的光学、磁学、热学、电学和力学性能，成为材料领域的研究热点。用于航天器的新材料和新工艺技术开发一直是许多国家的科研工作重点。纳米晶Ni具有高强度和高硬度的力学特性，在航天工程领域特别是在航天器结构材料方面具有很好的应用前景。本项目利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米晶Ni在不同温度和宽应变速率条件下的压缩行为。借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微镜及高分辨透射电子显微镜方法，对纳米晶Ni的压缩塑性变形机理进行了表征。研究表明，在较低温度条件下，纳米晶Ni的塑性变形主要是由晶界位错协调变形主导，晶界本征位错引出后无阻碍的在晶粒内无位错区运动，直至在相对晶界发生类似切割林位错行为。并且，在协调塑性变形时引出位错的残留位错能够增加应变相容性和减小应力集中；在室温条件下，纳米晶Ni的塑性变形机理主要是晶界-位错协调变形与晶粒滑移/旋转共同主导。利用晶界位错协调变形机理和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米晶Ni在不同温度、不同应变速率条件下力学压缩性能差异的内在原因。上述研究成果可为块体纳米材料航天工程结构件选材和设计提供理论依据和技术支撑，同时开展了多因素、多角度的纳米晶Ni力学行为分析，有助于更加全面和深入的分析纳米材料力学行为本质，从而为其多领域、多方面的研究与应用提供试验数据，具有很高的学术价值。