基于X射线线形分析技术的钒高温高压强度特性研究

Strength of materials under extreme pressure, temperature and large strain condition is valuable for national security and industrial application. It is the key and difficult problem in the field of high-pressure physics. Recently, the long-used macroscopic experimental method and empirical/semi-empirical strength model encountered problem when trying to account for the high-pressure strength softening behavior in the VB metal vanadium. To figure out the troubles in strength measurement and mechanism investigation in strength-softening materials such as vanadium, we propose to develop X-ray line profile analysis technique that is applicable for extreme conditions, and then develop line width analysis method associated with X-ray line profile analysis. With this combined technique, by line width analysis the coupled/decoupled effect of pressure, temperature and strain on strength can be measured, and then the influence of shear modulus and structural transition on strength can be deduced. By line profile analysis the grain size and dislocation density can be determined, and then the influence of texture/preferred orientation and crystal interface on strength also can be evaluated. With the macroscopic and microscopic investigation technique, we would make a comprehensive understanding of the characteristics of strength and its softening physical mechanism in vanadium, which also open a new window to investigate strength and establish constitutive models under extreme conditions.

极端高温、高压和大变形条件下材料的强度特性是高压物理领域的核心问题，也是难点问题，在国家安全与工业领域有重要应用价值。近年来，强度研究长期依赖的宏观实验方法和经验或半经验物理模型在一些强度软化行为的微观物理机理研究方面遇到困难。为解决高压下材料强度软化研究中遇到的强度测量和软化微观机理分析方面的困难，本项目拟发展和建立极端条件下X射线线形分析技术及以此为基础的线形分析和线宽分析联合测量技术。利用联合测量技术，通过线宽分析获取强度的压力、温度和应变耦合或解耦特性，研究剪切模量和结构相变等物理因素对强度特性的影响；通过线形分析获取晶粒尺寸和位错密度等关键参数，研究织构/择优取向、晶界等对强度的影响，从宏观和微观不同层面共同探索研究钒强度反常软化的物理规律，深入认识极端条件下钒的强度特性，为极端条件下强度软化机理分析与本构建模研究提供新方法、新思路。

第五副族金属剪切模量和屈服强度存在不同程度压力软化现象，其中钒表现尤为显著，钒这种反常行为引发广泛关注。本项目以钒高压强度反常行为研究为契机，致力发展一种极端条件下材料强度特性原位宏微观静高压实验观测手段，通过研究，在以下四项实验技术上取得突破：（1）建立了极端条件下线形分析技术，为高压屈服强度强化/软化微观机理分析和研究提供原位微介观实验观测技术手段，具备高温高压材料位错密度、微结构及演化、晶粒尺寸等实验研究能力；（2）建立了极端条件下线形分析和线宽分析联合测量技术，兼具宏介微观实验观测和多物理参数同时测量的联合实验方法；（3）建立了一种全新的利用荧光单峰测温的技术，实现了外加热DAC温度精密测量，提升了静高压实验测量能力；（4）建立了基于大张角DAC的高温高压加载技术，突破常规DAC高压加载装置开口角限制，解决了线形分析方法所需高压二阶峰信号获取困难的问题。这些技术已成功用于其它静高压实验项目研究，预计五年内可在国内静高压实验研究领域得到推广应用。在物理发现和科学认知提升方面，发现不同温度下钒的高压屈服强度和位错密度均存在反常软化现象，通过对应变、结构相变、晶界和晶粒尺寸等因素影响分析发现，屈服强度是应变软化、弹性模量C44软化和结构相变等因素调制和共同作用的结果，其中应变软化是主导因素，钒BCC至RH结构转变引起位错密度软化而间接对屈服强度-压力演化规律产生影响，温度对屈服强度和位错密度有显著软化作用。关于钒高压屈服强度反常软化等力学特性的认识已用于构建更为精确的金属材料高压本构模型的尝试，并激发探索和理解过渡金属、f电子金属的高压反常行为。这些应用对高压物理和力学后续研究工作的开展发挥了重要的参考作用，对承担单位其它研究项目形成了有力支撑。