梯度纳米结构铜应变控制疲劳机制研究

Fatigue failure of material components always initiates at the surfaces; microstructure modification to enhance surface properties is uaually utilized to increase the fatigue performance of materials. It is established recently that introduction of surface gradient nano-grained structure brings about enhancements in strength and fatigue life; however, there is still lack of systematical investigation and understanding on the fatigue mechanism and the origin of fatigue damage-tolerance in the gradient nano-grained structure. In this project, pure copper and copper alloy cylinders with surface gradient nano-grained structure are fabricated by means of a surface mechanical grinding treatment; and through strain amplitude-controlled tension-compression fatigue testing and microstructural characterization, we will reveal the cyclic hardening/softening behavior, microstructural evolution the fatigue crack nucleation process in the cyclically deformed gradient nano-grained structure. The contribution of the microstructural characteristics and thermal stability to the fatigue performance and damage nucleation mechanism will be established, which may provide experimental and theoretical guide for designing engineering structural materials with optimized fatigue performance.

材料结构件的疲劳损伤往往始于表面，表面结构设计和改性是提高材料疲劳性能的常用方法。近年来，表层梯度纳米结构被证明能同时提高材料强度和疲劳寿命，但对其疲劳机理和抗疲劳损伤能力的来源尚缺乏系统研究和深入理解。本项目拟利用表面机械研磨处理技术在纯铜和铜合金棒表层加工梯度纳米结构层，并通过应变幅控制的拉压疲劳实验和微观结构表征系统研究梯度纳米结构金属在疲劳过程中的循环硬化/软化行为、微观结构演化以及疲劳裂纹萌生过程，阐明梯度纳米结构的微观结构特征和热稳定性与疲劳性能和损伤机理的相互关系，为设计疲劳性能优异的工程金属材料提供实验和理论依据。

和强度-塑性关系倒置类似, 传统金属材料的强度-使役性能(疲劳极限、疲劳寿命)之间也存在明显的倒置关系。大量研究表明在金属材料表面引入梯度纳米晶层既可实现材料强化又可贡献可观塑性。目前，由于可控制备满足疲劳性能测试要求(如表面加工缺陷少)的梯度纳米结构样品十分困难，对其在循环交变载荷作用下的综合疲劳性能(尤其是应变控制下的低周疲劳性能)和循环变形机制尚缺乏系统研究和深入理解。基于此，本项目主要针对表面梯度纳米晶Cu样品的可控制备、力学性能、疲劳性能和变形机制开展了深入细致的研究。通过优化表面机械碾磨处理技术中各项工艺参数，实现表面加工缺陷少的梯度纳米晶Cu样品的可控制备。通过不同温度和应变速率下的拉伸实验和详细结构表征，揭示了表面梯度纳米晶Cu的机械诱导晶粒长大行为。首次开展梯度纳米晶Cu的应变控制疲劳试验，发现表面梯度纳米晶层存在可同步提高高周疲劳强度、低周疲劳寿命，打破了传统强化技术导致的疲劳强度-疲劳寿命的倒置关系；这主要归因于梯度纳米晶层独特的异常长大和均匀长大行为有效抑制了梯度纳米晶Cu在高/低周疲劳过程中循环塑性变形的局域化和抑制疲劳裂纹萌生；此外，通过开展择优取向纳米孪晶Cu的变幅疲劳试验，发现了纳米孪晶金属具有与疲劳历史无关稳定循环响应行为。这主要由于循环变形过程中，在纳米尺度孪晶间形成一种新型的高度关联项链状位错，沿平行于孪晶界方向往复运动来主导循环塑性变形，既不破坏纳米孪晶结构的稳定性也不造成累积损伤，与传统单晶、粗晶和纳米晶体金属具有的结构非稳定化和严重损伤累积的循环变形行为截然不同。以上实验结果不仅深化了人们对梯度纳米结构材料的变形机制和疲劳行为的理解和认识，同时也为调控微观结构以优化工程金属材料的疲劳行为提供了一种新思路。