纳米晶体金属中界面结构与成分对力学性能和稳定性的影响

Research on nanostructured materials is currently facing several key difficulties, among which the strength-ductlity trade-off and the strength-stability trade-off are two major blocks. While investigations on nanostructured metals in the past decades are extensively focused on the size-effect, i.e., the effect of characteristic sizes (boundary quantities) on properties of the materials, much less attention is paid to the effect of boundary structure and chemical compositions on material's properties. The present project will deal with this effect. In this project, we will perform a systematic study on the effect of boundary structures and boundary chemical compositions on mechanical properties and stability of nanocrystalline metals. Three fcc metals with different stacking fault energies are chosen: Ni, Cu , and austentic steels. Several processing techniques based on plastic deformation will be applied to generate three types of boundaries in nanostructured metals, inclding high angle grain boundaries, low angle grain boundaries, and twin boundaries, respectively. The boundary chemical compositions in the nanocrystalline metal samples will be tailored by addition of small amounts foreign elements (e.g., Ti and Fe for Ni, Bi and Zr for Cu). Overall mechanical properties (strengthen, ductility, work-hardening, rate sensitivity etc.), plastic deformation mechanisms, and structural stability of the nanocrystalline metals will be systematically investigated in combination with a systemtic structural characterization by applying quantitative characterization techniques. The objective of this study is to explore an alternative novel approach to advanced nanostructured metals with enhanced globle mechanical properties and enhanced structure stability for technological applications.

纳米金属材料目前面临着几个亟待解决的瓶颈问题，其中强度-韧性的倒置关系和强度-稳定性的倒置关系是两大难题。过去几十年的研究侧重于纳米材料的微观结构尺寸效应，即界面数量与宏观性能的关系，相比之下，针对界面结构对纳米材料性能和稳定性的影响研究不够。本项目计划系统研究纳米金属材料的界面结构和微量元素添加对综合力学性能和结构稳定性的影响。计划选择三种具有不同层错能的典型面心立方金属作为研究对象：纯Ni、纯Cu和奥氏体钢，运用几种特殊的制备技术获得具有不同界面结构的纳米金属样品，包括高角晶界、低角晶界和孪晶界。分别在Ni和Cu的纳米金属中添加微量合金元素以调整其界面成分，系统研究三种界面结构和微量合金元素添加对面心立方纳米金属综合力学性能（强度、塑性、韧性、加工硬化、应变速率因子等）、塑性变形机制和结构稳定性的作用机理和内在规律，旨在为发展具有高综合力学性能和高结构稳定性的纳米金属材料探索新路。

纳米金属材料面临的瓶颈问题之一是强度-韧性和强度-稳定性的倒置关系。过去几十年的研究侧重于纳米材料性能的微观结构尺寸效应，即界面数量与宏观性能的关系，而针对界面结构对纳米材料性能和稳定性的影响研究不够。本项目运用动态塑性变形（DPD），表面机械研磨（SMAT），表面机械碾磨（SMGT），表面机械滚压处理（SMRT）等多种塑性变形技术及电解沉积方法，在纯Ni及Ni合金、Cu及Cu合金、奥氏体不锈钢等面心立方的金属中制备出包含大、小角晶界、孪晶界等多种晶界结构及不同界面成分的样品，结合多级结构表征、性能测试等手段，系统研究了纳米金属材料的界面结构和合金元素对综合力学性能和结构稳定性的影响。..研究发现利用SMGT技术可在金属纯Ni中得到小角晶界纳米片层结构，这种二维纳米层片结构的硬度（6.4 GPa）远高于超细晶结构，结构粗化温度可达506℃，比超细晶结构高40℃。表明纳米尺度的小角晶界不仅具有和普通晶界相似的强化效应，同时具有高热稳定性；利用DPD技术制备出包含纳米孪晶结构的复合纳米结构奥氏体钢，不但具有高强度，而且具有良好的拉伸塑性，表明孪晶界面具有阻碍位错运动的能力以及较高的结构稳定性；而利用SMGT及SMRT技术分别在Cu-Ag合金及316L不锈钢表面制备出梯度纳米结构，由于梯度纳米结构的高稳定性有效抑制了表面粗糙化以应变局域化，分别表现出良好的抗摩擦磨损性能及抗疲劳性能；合金元素的晶界偏析可以显著提高纳米结构的稳定性，在电解沉积制备的极小晶粒尺寸Ni-Mo合金中研究发现，晶界弛豫及Mo的晶界偏析可以提高晶界稳定性，从而改变塑性变形的微观机制，使极小尺寸纳米金属表现出截然不同的硬度-晶粒尺寸关系。..在上述研究的基础上提出了纳米金属材料的结构稳定性设计新原理和材料素化的新发展战略。指出通过结构设计提高材料的稳定性，通过跨尺度构筑与组织结构调控，制造少（或不）合金化的“素”材料，大幅度提高材料的综合性能。为发展具有高综合力学性能和高结构稳定性的金属材料提供了新思路。