利用微合金化和严重塑性变形制备超高强度和超高热稳定性兼备的纳米金属的微观机理

通过塑性变形细化晶粒是制备无参杂、无宏观缺陷块体纳米结构金属材料的有效方法之一，但是受饱和晶粒尺寸（大于100纳米）和高储存能限制，难以获得兼具高强度和高热稳定性的纳米金属材料。本项目通过有限固溶度、大尺寸失配元素的微合金化+严重塑性变形解决这一难题，并研究其微观机理。拟以Ni-Ti体系为研究对象，运用高压扭转产生严重塑性变形，用定量化的结构表征手段，力学性能评定及元素分布测定技术测定不同Ti含量的Ni-Ti样品的结构参数（界面间距，界面取向差，大角晶界密度等）、强度及Ti元素的分布和偏聚。揭示饱和晶粒尺寸，强度和热稳定性与Ti含量的关系，获得最优化合金元素添加量；揭示微量Ti元素在晶内及晶间（晶界、三叉晶界等）的分布以及对再结晶模式（连续和不连续再结晶），界面迁移和再结晶动力学的影响。为促进以位错运动为主要变形方式金属的晶粒细化，提高强度和热稳定性提供参考。

纳米结构具有高强度、高硬度、高耐磨性和高的化学活性，但却存在结构稳定性随晶粒尺寸减小而显著降低的问题。低的结构稳定性一方面导致不能利用塑性变形的方法将纯金属的晶粒尺寸减小到100纳米以下，另一方面还导致强度-热稳定性的倒置关系。如何提高纳米金属的结构稳定性成为纳米金属发展的主要挑战之一。在本项目的资助下，择模型金属Ni作为研究对象，在解决这一重大科学难题方面开展原创性研究取得了如下成果：首先详细研究高压扭转Ni-Ti合金的晶粒细化和结构稳定性。研究表明，当Ni-Ti合金被变形至饱和应变（~100）时，饱和态晶粒尺寸随着Ti含量的增加而减小，而饱和强度持续提高。当Ti添加达到3-5%时可使晶粒尺寸减小到50纳米以下，硬度达到500 HV以上。并且发现，随着Ti含量的增加，结构稳定性也持续增加，且饱和结构由等轴状转变为层片状。然后研究了纯Ni在高速压缩塑性变形（动态塑性变形，DPD）和高速表面剪切塑性变形（表面机械碾磨，SMGT）中的塑性变形和结构稳定性。表明，这两种技术均能在样品中制备出纳米层片结构。平直界面以取向差小于15o的小角晶界为主。尤其是SMGT Ni中的纳米层片结构的层片厚度可达到20纳米，比统超细晶的饱和晶粒尺寸小一个数量级。硬度提高近一倍，达到6.4 GPa。更为有意义的是，纳米层片结构还具有超高的热稳定性，结构粗化温度比饱和态超细晶结构高约50o。纳米层片结构被作为新一代纳米金属结构编织结构被提出。这种纳米结构打破了传统变形金属结构强度-稳定性的倒置关系。SMGT还在其他以位错滑移为主要变形方式体心立方结构金属（IF 钢）中制备出纳米层片结构。随后研究了纯Ni在DPD和SMGT中的组织结构演化。纳米层片结构被作为突破饱和尺寸限制实现了变形组织结构由超细晶演化至纳米尺度的桥梁提出。进一步完善了晶粒细化跨越4个尺度量级一般过程。在结构演化中至纳米尺度以及纳米层片的形成中，应变速率和应变梯度扮演重要作用。.通过本项目，解决了纳米金属结构强度-稳定性的倒置关系。新型纳米层片结构的提出，丰富和完善了变形组织结构的演化理论。上述研究成果，对纳米金属的制备、变形、结构及性能研究具有重要意义，也为广泛工业制造中的基础研究和潜在技术应用打开了新的视野。