高比强度纳米结构钢动态塑性变形的微观机理研究

Lightweight high strength steels are invented and developed recently in order to meet the requirements of lightweight structure. It has academic significance to study the microscopic mechanisms of dynamic plastic deformation since the structural materials may undergo dynamic deformation conditions. In this project, the hierarchic nanostructured designs (nano-scale second phase and multi-modal grain size) will be developed in high specific strength steels (Fe-Mn-Al-C-Ni alloy) to further enhance the strength-ductility synergy by using back stress hardening mechanism. The influences of strain rate on the deformation mechanisms for austenite matrix and B2 phase are investigated by using the dynamic experiments with controlled strains (SHPB/SHTB and plate-impact experiments), along with the FEM simulations and the microstructure observations by SEM, EBSD, TEM, HREM, and nanoindentation. The influences of strain rate on the strain partitioning are also clarified, and finally the effects of the size and the distribution of B2 phase on the spall strength, dynamic shear strength under shock conditions, crack initiation and propagation under dynamic conditions are revealed. The results should provide insights for dynamic deformation and fracture mechanisms in lightweight high strength steels, and will establish the relationship between the macroscopic dynamic mechanical properties and the microstructure evolution. The results should provide solutions and helps for applications of such materials in industry, military, aerospace areas.

为满足结构轻量化，轻质高强钢应运而生，而结构材料可能经历动态变形，研究其动态塑性变形的微观机理具有重要意义。本项目针对新型高比强度钢(Fe-Mn-Al-C-Ni合金系)，拟通过纳米结构的合理设计(纳米尺度的第二相和多尺度晶粒结构)，利用非均质结构的背应力硬化机理，进一步提高其强韧综合性能。通过控制应变的准静态和动态试验(霍普金森压/拉杆，轻气炮平板撞击)，并利用SEM、EBSD、TEM、HREM、纳米硬度等微结构观察手段和有限元模拟，来分析其中奥氏体基体和金属间化合物B2相的变形机理以及应变分配随应变率的变化规律，最后揭示动态条件下B2相的大小和分布对层裂强度、冲击剪切强度以及空洞、裂纹起源和扩展的影响规律。通过本项目的研究，揭示其动态塑性变形和断裂机理，建立其宏观动态力学性能和微结构演化的关联，以期为此类材料在在工业、军事和航空航天领域的应用提供帮助。

为满足结构轻量化，轻质高强钢应运而生，而结构材料可能经历动态变形，研究其动态塑性变形的微观机理具有重要意义。研究工作主要围绕异构高比强度钢等几种非均质多级纳米结构金属(梯度、层片、多尺度晶粒等)，开展不同应变率下的变形机理研究，研究成果如下：揭示了高比强度纳米结构钢的冲击行为，揭示了高比强度纳米结构钢的超塑性行为，揭示了高比强度纳米结构钢应变率效应的微结构机理，揭示了层片双相合金高强高韧的微结构机理，揭示了异构双相结构中超高抗拉强度和加工硬化率的微结构机理，揭示了梯度纳米结构孪晶钢的动态剪切变形机理，揭示了梯度纳米结构孪晶钢和不锈钢的应变梯度演化规律和加工硬化机理，孪晶钢的负应变率敏感性和PLC变形带特征的关联，揭示了low C steel/304 SS多层板界面区比例对拉伸塑性的影响机理，揭示了异构多层板(304不锈钢/低碳钢多层板)结构的动态变形机理，揭示了异构多层板低温拉伸优异性能的强韧化机理，揭示了多尺度晶粒结构金属的动态剪切变形机理，揭示低温动态变形诱导的纳米hcp层片结构强化的尺寸效应，揭示了多级异构中熵合金优越低温冲击韧性的变形机理，揭示了多尺度晶粒异构高熵合金动态剪切行为的应变率效应，揭示了梯度纳米结构显著的包辛格效应，揭示了梯度结构IF钢中应变局部化和去局部化导致大塑性的变形机理，揭示了梯度结构IF钢中残余应力诱发应变硬化和增塑的变形机理，揭示了HCP孪晶金属强度的孪晶尺度效应，揭示了HCP孪晶金属强度的层错间距尺度效应。总共发表该基金标注SCI论文23篇，授权发明专利3项，培养了三名硕士研究生和三名博士研究生。研究结果对于金属强韧化和冲击防护安全都具有重要的科学意义和应用价值。