循环弹性应力条件下超细晶和非晶合金的损伤机制与服役性能

选择具有面心立方、体心立方和密排六方结构的典型工程材料纯铜与铜合金、低碳钢和工业纯钛，通过等通道转角挤压技术制备出晶粒尺寸在亚微米范围的超细晶材料；同时选择非晶合金包括锆基非晶合金、钨丝和枝晶增强锆基非晶合金复合材料。进行单向拉伸和压缩力学性能试验，测量其基本力学性能，在此基础上选择应力幅度在上述超细晶和非晶合金材料弹性应力范围内进行应力控制疲劳试验，测量疲劳强度或疲劳极限，采用扫描电镜观察疲劳裂纹萌生、扩展和断裂行为，采用透射电镜观察不同循环周次后金属晶体材料的微观结构演化，希望解决以下问题：1）为什么高强度材料在循环应力幅度远低于其屈服强度水平仍会发生疲劳损伤和断裂；2）为什么非晶合金材料的疲劳极限与其屈服强度之比远低于常规金属材料；3）提高金属晶体材料的强度是否也会同时提高其疲劳强度或疲劳极限；4）如何通过金属晶体材料的强韧化来提高其服役性能。

2010-2013年本项重点基金课题主要选择了典型超细晶/纳米晶铜合金、非晶合金材料为研究对象，采用等通道转角挤压技术（ECAP）和高压扭转技术（HPT）分别制备了铜合金超细晶与纳米晶材料，同时采用快淬技术制备钯基与钛基非晶合金样品。经过四年的研究，主要在以下四个方面取得了新的进展：1）在强韧化研究方面，通过在模型材料Cu中加入合金元素Al或Cu以及在工程材料316L不锈钢中加入N元素来调整层错能，实现了严重塑性变形制备的超细晶/纳米晶材料强度和延伸率同步增加的趋势，为获得具有良好的高周和低周性能的高强材料提供了条件；2）在超细晶材料循环变形行为研究方面，在前期强韧化的基础上，通过改变材料的位错滑移方式，实现了超细晶/纳米晶材料的组织稳定性的改善和变形均匀性的提高，从而有效提高了这类材料的高周疲劳强度和低周疲劳寿命；并建立了金属材料疲劳强度与拉伸强度之间的定量关系；3）在非晶合金变形机制与力学性能方面，通过对其主要变形机理剪切带的认识，引入缺口以获得缺口附近应力的非均匀分布诱发剪切带萌生和阻止其扩展，从而在一定程度上增加了非晶合金材料的塑性变形能力。4）通过压-压疲劳实验，发现非晶合金的疲劳开裂方式具有典型的三种类型：在较高应力幅条件下，非晶合金的疲劳裂纹在试样薄弱处即剪切带位置形核和扩展，最终发生沿着剪切带的剪切断裂。在中等应力幅条件下，试样将会发生剪切和劈裂混合形式的断裂。在较低应力幅条件下，非晶合金试样将会发生以劈裂形式为主的断裂。这些结果表明：非晶合金在循环弹性条件下的损伤与断裂行为与应力幅大小有很大的关系。除了以上在材料服役性能提升方面取得的进展外，本项目还对超细晶/纳米晶材料以及非晶材料的微观变形机理和疲劳损伤机制（如剪切带演化）进行了系统深入的研究，为未来的进一步理论研究和工程应用提供了基础。