微米尺度金属复合薄膜的微结构设计与力学变形行为的研究

异质金属调制合金是目前材料科学和凝聚态物理科学领域的研究热点之一。本项目选择无限固溶的异质金属体系并采用电沉积技术（双槽法）制备均匀的Cu/Ni微米多层薄膜，经过合适的扩散退火工艺处理，获得无宏观组织缺陷的带有扩散层结构的层状调制复合材料；重点研究层状界面、晶界、扩散层等微观组织设计控制的物理冶金基础和力学变形行为；同时通过高温扩散退火控制晶粒大小和排列方式,获得具有多层晶粒规则排列、或者单层晶粒与膜厚度具有同等尺度的薄膜材料，重点研究晶粒和晶界在力学变形过程中的行为方式与材料学基础；通过两种组元多层薄膜与热扩散退火实现材料微结构的设计，建立微米尺度薄膜材料扩散的理论模型，阐明微米尺度调制复合薄膜材料的扩散层、晶界和层状界面共同作为增强体的材料强韧化机理与变形机制。本项目的研究可以丰富材料微观组织结构设计与材料强韧化理论，具有重要的学术价值与应用意义。

本项目按照预定研究计划完成，项目引入扩散层和晶界作为强化相，对设计的新型调制结构材料形变过程中的强化相和特殊晶界的微观形变机制进行研究,重点研究了层状结构扩散诱导再结晶区晶界和形变微观组织的形成与演变。在本项目的资助下，围绕上述研究内容，已发表SCI 论文3 篇，另有2 篇论文正在审稿中，申请专利2 项。主要研究结果如下：.研究表明，低温晶界扩散诱导再结晶区（DIR）是在Ni原子经过充分的晶界扩散后才形成，分为两个过程：（1）形核过程，Ni原子沿着晶界扩散以平衡晶界处的缺陷并形成小的不均匀区即再结晶形核点；（2）长大过程，Ni原子通过Cu晶界向内部生长的位错进行扩散并细化部分Cu晶粒，然后进行体扩散，随之细化的晶粒会在退火的过程中长大，长大方向与扩散方向相同。低温晶界扩散诱导再结晶区的生长速率大于中高温的生长速率（比较 值），主要源于DIR区的细晶粒晶界与基体组织内的晶界共同助推溶质原子扩散，伴随位错扩散，加速DIR区的生长。.晶粒层状排列Ni材料的形变微观组织表明：在室温低应变速率下，该材料产生形变孪晶，形变孪晶界迁移和普通晶界迁移共同协调该材料的塑性变形，获得较好的延伸率；循环形变力学性能出现形变强化与软化现象，开始阶段，强化效应是由于位错网络形成，而其后的软化效应，除了克服位错网络阻力外，还与形变孪晶或层错的出现有关，形变孪晶的产生主要源于由晶界发出的肖克莱不全位错迁移；原位拉伸断口显示，单晶镍线形变由形变孪晶或层错主导，源于样品表面发出的肖克莱不全位错，大量位错塞积处即应力集中区同样可以促进形变孪晶的产生。对柱状晶Ni，在动态拉伸过程中，产生形变孪晶的晶粒尺寸大约为1μm左右；对层状晶Ni，在常规拉伸过程中，产生形变孪晶的晶粒尺寸范围大约为200～500nm，主要为300nm左右。.柱状晶Cu原位拉伸实验表明：小尺度形变孪晶具有可逆性，在加载过程中，缺口应力集中处产生形变孪晶，微孪晶通过由孪晶界发出的肖克莱不全位错进行迁移和长大，以及合并相邻的形变孪晶；退孪晶过程由孪晶界出现肖克莱不全位错的反向运动，这个过程是由外力提供额外驱动力。该现象丰富了金属材料形变的微观机制，为研究形变孪晶的稳定性提供相应的实验素材。