亚微米结构纯铝变形初期高硬化率的机理研究

Submicron structured pure aluminum has much higher strain hardening rate than that of coarse grained aluminum at the early stage of tensile test, however, it exhibits dislocation density reduction upon straining and hardening upon heat treatment. So far, understanding of these phenomena is limited to the recognition that dislocation source hardening plays an important role therein. In this project, we will utilize both experimental and simulation tools and techniques to investigate the characteristics on of dislocation behaviors in three aspects: dislocation source activation, the interaction between dislocations and grain boundaries, and the inter-dislocation interactions. Experimentally, the dislocation density evolution will be measured and the dislocation behavior will be analyzed respectively by in-situ XRD and in-situ TEM tensile test, to identify the key factors determining the high hardening rate of submicron materials. In simulation, a discrete dislocation dynamics model will be developed to relate local dislocation bahaviors to macroscopic properties, by considering the specific microstructures and the above identified key factors. The model is complemented by phase field dislocation dynamics and molecular dynamics simulations. The experiments and simulations are expected to work complemently to reveal the details. This project will help to deepen our understanding of the micro mechanisms of deformation and annealing hardening in submicron structured materials, and help to explore new methods for improvement on uniform tensile elongation.

亚微米结构纯铝在变形初期的加工硬化率比粗晶纯铝高很多，但位错密度却反常下降，还会表现出退火强化的现象。目前的认识仅局限于位错源强化起重要作用，但对于出现这些现象的具体机制还不清楚。本项目拟通过实验和模拟相结合的方法，比较亚微米晶与粗晶纯铝中位错源的开动、位错与晶界的相互作用及位错之间的相互作用等方面的差异，进一步分析这些因素与位错密度演化及加工硬化之间的联系。实验上，通过原位XRD拉伸实验测量位错密度随应变的演化，通过TEM原位拉伸，观察分析位错行为，分析亚微米结构材料高硬化率的关键因素。模拟上，综合考虑微观结构和这些关键因素的相互作用，建立联系微观位错行为与宏观力学性能的离散位错动力学模型，结合相场位错动力学和分子动力学模拟，进一步地分析和补充实验所揭示的规律。以期深入理解亚微米结构材料变形和退火强化的微观机理，为亚微米结构材料延伸率的改善提供新思路。

本项目以亚微米晶结构纯铝在变形早期具有的高硬化率现象为出发点，在原位变形条件下追踪了亚微米晶结构纯铝内位错密度演化情况，发现了在高硬化率阶段位错密度演化的双阶段特征，结合对高硬化率阶段关键位错行为的原位观察，提出了该材料变形早期高硬化率阶段的变形机理，并进一步推广应用到该材料退火强化现象的微观机理解释上。.研究结果表明，该材料高硬化率现象与两种关键位错行为相关，分别是前期晶内离散位错运动和后期亚微米晶晶界网络上的间断位错发射行为。晶内离散位错运动是单晶粒范围内的位错行为，发生这一行为的晶粒数目随着宏观应力水平的提升而增加，其余晶粒仅发生弹性协调变形，这一位错行为主导阶段内，材料内位错密度维持基本不变，塑性变形量较小，硬化率随着发生这一行为的晶粒数目增加而下降。在宏观应力的升高和离散位错晶界附近塞积引起应力集中的共同驱动下，亚微米晶晶界上开始出现位错的发射行为，这一发射行为在整个晶界网络中扩展，使得整个亚微米晶晶界网络在不同位置出现间断位错发射。在这一位错行为的主导阶段，短时间内位错密度快速上升，塑性变形在晶粒之间扩展，材料的硬化率下降至与粗晶纯铝稳态塑性变形相近的水平。基于位错密度变化速度的显著差异，这两个阶段的分界应力水平被确定为140MPa。与粗晶纯铝相比，亚微米晶纯铝高硬化率维持时间更长，这是因为亚微米晶纯铝中变形行为在早期主要由晶界控制，而粗晶纯铝在晶界产生位错后，很快转化到由晶内位错交互行为控制的变形行为中去，对应变相对较小。此外，该材料退火强化现象与退火带来的晶内离散位错密度下降及晶界结构弛豫有关，离散位错密度下降降低了晶界附近因离散位错运动后塞积产生的应力集中，晶界结构弛豫提高了晶界处位错发射所需临界应力，两者共同作用提高了晶界处位错发射行为所需的应力水平，宏观上表现为退火后材料强度的提高。这些结果深化了对亚微米晶材料变形机制的理解，为基于晶界性能调控的亚微米晶材料增塑研究提供帮助。.本项目支持下，同时开展了MD下位错派纳模型和多晶晶体塑性有限元方法的研究，分别研究了位错核心结构与位错运动临界驱动力的关系以及晶界和晶粒取向对材料塑性变形的影响，从微观与宏观两个角度为本项目研究材料的多尺度模拟建立了基础。.