梯度纳米层片结构金属的动态变形机理研究

In this project, GNG/CG (Gradient nano-grained/Coarse-grained) structures with various gradient parameters are generated in Fe and Cu samples by means of surface severe plastic deformation method. Dynamic mechanical properties of GNG/CG structures are tested by SHPB/SHTB, Taylor experiments and ball penetration experiments, and the microstructure evolutions (hardness, grain size, deformation twins, dislocation density, and their distributions) for different layers with various grain sizes in GNG/CG structure during the dynamic deformation are also investigated by SEM, TEM, HREM, nano-indentation measurement. Molecular dynamics (MD) simulations are also performed to investigate the atomistic mechanisms of the plastic deformation under plane strain shock conditions and ball penetration conditions in GNG/CG structures. The results would determine the critical grain size for the transition from grain refinement to grain growth in GNG/CG structures under dynamic deformation, and illustrate the grain size effect and the atomistic mechanisms for plastic deformation under dynamic deformation in GNG/CG structures. The results should provide insights of dynamic deformation mechanisms and strengthening-toughening mechanisms for GNG/CG structures, and provide strategies for further improving strength-ductility synergy in GNG/CG structures. The results should provide solutions and theoretical basis for the industrial applications of GNG/CG structures.

本项目选用两种模型金属(Fe和Cu)，利用表面纳米化技术制备具有不同梯度参量的梯度纳米层片结构表层/粗晶基体(GNG/CG)金属，进行霍普金森压/拉杆动态测试，以及Taylor试验和圆球贯穿试验测试，并利用SEM、TEM、HREM、纳米硬度等手段观察不同晶粒尺寸片层在动态变形过程中微结构(包括硬度、晶粒尺寸、孪晶、位错密度及其分布)的形成和演化规律。利用MD研究并探讨一维应变冲击条件下梯度纳米结构塑性变形行为的原子层次机理，以及刚性球贯穿梯度纳米结构变形行为的原子层次机理。确定动态变形条件下GNG/CG多级纳米结构中的关键晶粒尺寸(长大和细化的界限尺寸)，阐明GNG/CG多级纳米结构在动态变形条件下的原子层次机理及其尺度效应，阐明GNG/CG多级纳米结构在动态变形条件下的强韧化机制，提出进一步优化其强韧综合力学性能的策略，以期为此类材料的工业化应用提供理论依据和帮助。

均匀纳米结构金属虽然具有很高的强度，但其塑性/韧性很差。多级纳米异构金属(梯度结构、层片结构和多尺度晶粒结构)由于材料界面结构多元化，能够获得良好的强韧综合力学性能。该项目针对多级纳米异构金属开展了不同应变率下的变形机理研究，主要研究内容和重要研究结果如下：揭示了梯度/层片状晶粒结构变形的原子层次机理；揭示了梯度纳米结构TRIP钢的加工硬化机理；揭示了梯度结构的背应力强化和硬化机理、动态剪切变形机理、应变梯度演化规律和显著的包辛格效应；研究发现梯度结构能够提高应变率敏感系数；揭示了双相TRIP层片结构钢的动态剪切变形和绝热剪切带演化机理；揭示了层片纳米结构钛的背应力强化和硬化机理；揭示了高比强度层片结构钢的加工硬化机理、冲击和超塑性行为、应变率效应的微结构机理；揭示了层片双相合金高强高韧的微结构机理；揭示了low C steel/304 SS多层板结构界面区比例对拉伸塑性的影响机理；揭示了纳米晶粒镶嵌结构的加工硬化和强化机理；揭示了多级纳米孪晶/纳米层错金属变形的尺度效应和原子层次机理；揭示了多尺度晶粒结构金属的动态剪切变形机理和加工硬化机理。总共发表该基金标注SCI论文28篇。研究成果可以为金属的强韧化提供思路，同时由于这些多级结构都是通过工业上比较普遍的技术(比如表面纳米化、冷轧加退火)得到的，所以很容易在工业上得到规模化生产和应用，对于节能减排和结构安全都具有重要的科学意义和应用价值。动态变形机理的结果可以为提高金属材料在冲击条件下的吸能效率和防护效果提供思路，同时可以为高强高韧金属在极端环境下的应用(比如汽车工业的吸能结构，军事上的防护结构等)提供帮助，具有重要的科学意义和应用价值。同时所发表文章得到了广泛的关注和引用，他引200余次。