大塑性变形制备铁基纳米材料中溶质─晶界交互作用研究

铁基合金是当前工程界最重要的一类材料，组织纳米化是制备高性能铁基合金的有效手段。本项目拟以大塑性变形制备铁基纳米材料中的特定溶质元素与晶界的交互作用为研究主线，提出一套铁基纳米材料组织调控及热稳定性改善的新思路。项目拟通过典型强、弱晶界偏析铁系合金，研究大塑性变形条件下溶质─晶界交互作用对纳米材料晶界能及晶界迁移能力的影响，建立晶界热力学、动力学参量与纳米组织稳态晶粒度及晶界迁移速率的定量关系，将晶界能的变化与晶粒长大动力学模型耦合，对大塑性变形铁基纳米材料中溶质─晶界交互作用给出统一的热力学─动力学模型化描述。进一步考察纳米材料组织中的缺陷密度及缺陷对溶质元素的吸附效应对溶质─晶界交互作用的影响。最终形成一套以溶质─晶界交互作用结合大塑性变形为核心的铁基纳米材料的组织调控及热稳定性改善的新思路。该项目的突破将有力推动铁基材料大塑性变形纳米化的理论及技术的发展。

铁基合金是当前工程界最重要的一类材料。如何有效设计与制备这类材料是材料界的重要课题。大量研究表明，利用大塑性变形法使铁基合金实现组织纳米化是大幅度提高铁基合金机械性能的有效手段。这类材料出众性能的关键在于纳米尺度的微观组织。然而，这类材料的微观组织具有极高的能量状态，其微观组织在极低的温度即可发生显著粗化，使材料丧失其优越的性能。近期研究表明，某些溶质元素与晶界的交互作用可对纳米组织产生显著的稳定化效应。然而，这一现象的物理本质仍不明晰。本项目研究了大塑性变形制备铁基纳米材料溶质—晶界交互作用的物理机制，澄清了溶质—晶界交互作用对纳米组织稳定化的内在机理，提出了一套铁基纳米材料组织及热稳定性优化的新思路。项目以典型铁基二元合金为研究对象，利用大塑性变形法制备了纳米晶合金，系统考察了溶质—晶界交互作用对纳米组织的稳定化效应。结果表明，溶质在铁素体晶界处的偏聚可显著降低晶界能，从而对晶界产生强烈的稳定化效应，进而使得：1）在相同的制备条件下，溶质元素的引入可导致纳米组织的细化；2）纳米组织的热稳定性显著提高。在此基础上，项目提出了纳米铁基合金晶粒细化及热稳定性优化的思路：1）溶质元素在基体中应有较低的固溶度，以保证元素有较高的偏析焓，易于向晶界偏聚；2）热力学稳定化效应比动力学稳定化效应对热稳定性的影响更为显著，可使纳米组织在一定的温度区间内保持极强的热稳定性；在合金元素选择时，除了要兼顾低固溶度，还要保证溶质析出的温度足够高，以扩大稳定化效应作用的温度区间。除上述研究外，项目组在本项目的资助下还将溶质与晶界交互作用的热力学原理拓展至线缺陷中，利用实验在冷变形Pd-H体系中证明，H的引入可大幅度降低位错的线能量，导致在相同的变形条件下，金属中可产生更多的位错。项目在执行期内在国际期刊上发表论文10篇（SCI 8篇，EI 9篇），在国际学术会议上做特邀报告3次，口头报告2次。发表在Acta Materialia, 2013, Vol. 61(9): 3172-3185上的论文，被sciencedirect数据库统计为该期刊2013年4月至6月期间的Top25 Hottest Article，发表在Scripta Materialia, 2013, Vol. 68: 743-746上的论文，被材料领域权威专著《Physical Metallurgy》第5版作为案例收录。