大塑性变形下面心立方纳米晶单质金属基于固态非晶化的新变形机制研究

Understanding the plastic deformation of metals and alloys is a longstanding challenge in materials science. Reducing the grain size into the nano-meter offers new opportunities to investigate the unique deformation behaviors at an extremely fine microstructural scale. Accumulating results hint that the plastic deformation of nanocrystalline (NC) metals and alloys is mainly mediated by dislocations, deformation twining, grain boundary sliding and grain rotation. However, due to their very small grain size, the plastic deformation in NC metals and alloys may also be accomplished via peculiar structural transformations. In our previous work, we demonstrated a solid-state transformation accompanied by plastic deformation in NC Ni at large strains, resulting in the formation of nano-scale amorphous structures. In this project, we will try to explore the peculiar deformation mechanisms associate with solid-state amorphization in face-ecntered cubic NC metals at large strains, reveal the atomic mechanism of the amorphization and uncover their effects on the mechanical behaviors. We believe these results will not only shed new insights into the plastic deformation behaviors of NC metals and alloys, but also be instructive for improving their properties via appropriate structural manipulation.

金属材料的塑性变形机制一直是材料科学研究的核心问题之一。纳米晶金属材料概念的提出及相应制备技术的发展为在微纳尺度上研究金属材料独特的变型机制提供了新的机遇。到目前为止的研究表明，位错、变形孪晶、晶界滑移和晶粒转动是纳米晶金属主要的变形机制。但结构纳米化产生的尺寸效应使纳米晶金属中还存在通过奇特的结构转变实现塑性变形的可能性。申请人前期工作在纳米晶Ni中发现了塑性变形过程中通过固态转变形成的纳米尺度非晶。据此，本项目拟结合实验与原子模拟研究，进一步验证FCC结构纳米晶单质金属中固态非晶化作为塑性变形机制的可能性和普遍性；在原子尺度上揭示固态非晶化的微观机制，并基于此阐明非晶化转变与剪切变形之间的内在联系；进而探求新变形机制对材料力学性能的影响。本项目的研究可望加深对纳米晶金属塑性变形本质的理解，并为通过结构优化设计提高纳米晶金属材料的力学性能提供原理性基础。

金属材料的塑性变形机制一直是材料科学研究的核心问题之一。纳米晶金属材料概念的提出及相应制备技术的发展为在微纳尺度上研究金属材料独特的变型机制提供了新的机遇。本项目围绕结构纳米化产生的尺寸效应使纳米晶金属中还存在通过奇特的结构转变实现塑性变形的可能性这一核心科学问题，开展一系列实验和模拟研究，取得了以下研究成果：（1）在纳米晶Cu中观察到了与纳米晶Ni中类似的变形诱导固态非晶化现象，验证了FCC结构纳米晶单质金属中固态非晶化作为塑性变形机制的可能性和普遍性；（2）位错在晶界和孪晶界处塞积导致的晶格塌缩是非晶形核的主要机制，形核后的非晶在剪切应变和静载荷的耦合作用下不断扩展，形成纳米尺度非晶区；（3）非晶区的形核能够有效地释放局部应力集中；非晶区形成后一方面作为位错源发射位错，提高可动位错密度；另一方面起到类似“润滑剂”的作用协调晶界变形。这些因素共同作用的结果使得含有纳米尺度非晶区的纳米晶金属在保持高强度的同时塑性显著的增加。此外，当应变量足够大时（>100%），大量形成的非晶区会为裂纹扩展提供快速通道，从而使材料由剪切断裂变为粉碎性破裂。本项目取得的研究成果加深了对纳米晶金属塑性变形本质的理解，并为通过结构优化设计提高纳米晶金属材料的力学性能提供原理性基础。