梯度纳米结构材料强韧化机制及其影响因素研究

Gradient nanostructured materials can obtain high strength and high plasticity at the same time, breaking through the strength-ductility trade-off dilemma in traditional structural materials. Literature review indicates that not all of the gradient nanostructured materials can maintain both high strength and high plasticity. Therefore, summarizing the factors that influence the mechanical properties of gradient nanostructured materials and understanding the mechanisms behind the structure-property relationship are the keys to guide the design of high-performance gradient nanostructured materials. In previous studies, we found that stacking fault energy and original grain size have significant effects on the gradient structure and hence the overall deformation mechanism and mechanical properties of gradient nanostructure materials. Basing on the previous studies, this project aims to investigate the following scientific problems:(1) the influence of the stacking fault energy, the original grain size, the microstructure and the deformation method on the formation of the gradient structure of gradient nanostructure materials; (2) The synergistic effect of different gradient layers on tensile deformation;(3) the relationship between the microstructure, mechanical properties and thermal stability in gradient nanostructured materials. This research will further deepen our understanding on the deformation mechanism and reveal the strengthening and toughening mechanisms in gradient nanostructured materials, which can provide both experimental support and theoretical basis for the design, research and optimization of new types of structural materials.

梯度纳米结构材料可以兼备高强度和高塑性，从而突破传统结构材料中强度与塑性不可兼得的瓶颈。研究表明，并不是所有的梯度纳米结构材料都能同时获得高强度与高塑性，确定影响梯度纳米结构材料力学性能的因素及其作用机制是指导高性能梯度结构材料设计的关键。申请人前期研究发现，通过改变材料的层错能和/或变形前初始晶粒尺寸将显著影响梯度片层组织结构的形成及片层微结构特征，继而影响材料的整体变形机制与力学性能。本项目拟在申请人前期研究基础上，进一步深入探讨: 1）材料的层错能、变形前初始晶粒尺寸及微观组织结构、变形方式、应变条件等对形成梯度片层组织结构的影响；2）各梯度片层结构在拉伸变形时如何通过分区域协同作用来协调变形；3）梯度纳米结构材料组织结构与力学性能、热稳定性的相关性。研究结果可以进一步完善对梯度纳米结构材料强韧化机制的认识，为新型结构材料的设计、研发和优化提供实验证据与理论基础。

强度和塑性是金属结构材料最重要的两个力学性能指标，但是通常来说这两个性能指标是相互矛盾的，即在提高材料强度的同时通常会伴随着塑性的降低，反之亦然。研究表明梯度结构可以增加材料的应变硬化能力从而很好地克服这种强度和塑性的倒置关系。本项目以铜及铜合金为载体，通过预扭转的变形方式在材料中引入梯度结构来改善材料的综合力学性能，采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X 射线衍射分析(XRD)等表征手段，研究了晶粒尺寸和层错能对梯度结构形成规律及力学性能的影响，并探究了梯度结构在塑性变形过程中的变形机制。此外，研究了预扭转过程中产生的大尺寸零应变变形孪晶的形成机制。主要研究内容及取得的重要结果包括：（1）研究了扭转处理对纯铜及铜锌合金微观组织演变及力学性能演变的影响。纯铜在扭转处理后沿径向产生的微观组织为位错亚结构和晶粒尺寸梯度，而铜锌合金由于层错能的降低在样品的表层形成少量的变形孪晶，但整体的微观组织仍为位错亚结构和晶粒尺寸梯度。梯度结构的引入显著地提高了纯铜及铜锌合金的强度，但同时也伴随着塑性的降低。（2）研究了四种铜铝合金（1wt.%, 2wt.%, 4wt.%和 6wt.%Al）经过多向压缩处理后微观组织的演变及变形机制。在固溶度范围内，随着铝含量的增加合金体系的层错能逐渐降低。随着层错能的降低，变形样品中孪生晶粒的比例增加，因此除了位错的积累和缠结外，孪生也是重要的变形机制。（3）通过对两种不同初始晶粒尺寸的铜铝合金进行预扭转处理，研究了初始晶粒尺寸对梯度结构形成规律及力学性能的影响。（4）研究了扭转变形后粗晶纯铜中的变形孪晶，第一次通过透射电镜在粗晶铜中观察到了大尺寸的非共格零应变变形孪晶，提出了大尺寸零应变变形孪晶的形成机制及其对孪生和去孪生的影响。 . 本项目系统探讨了影响梯度结构形成的因素和规律，通过变形处理得到了合适的梯度微观结构，为制备同时具备高强度和高塑性的金属材料提供指导思想。