块体纳米孪晶Cu 的疲劳性能与机理研究

The bulk Cu samples containing preferentially oriented nano-scale twins will be synthesized by means of direct-current electrodeposition technique. The project will focus on the systematical investigation of the high cycle and low cycle fatigue properties of the nanotwinned Cu samples (including the fatigue limitation, fatigue stress, crack nucleation and propagations) under stress and strain controlled high cycle fatigue tests. Based on the multi-scale microstructure observations via diverse SEM, TEM, EBSED and Confocal Laser Scanning Microscope techniques, we will reveal the microstructure, surface morphology, the mechanical stability of the grain boundaries and twin boundaries as well as the evolution of dislocation patterns of nanotwinned Cu before and after fatigue tests. Comparing with the evolution of the conventional large-angle grain boundaries during the fatigue deformation, the novel performance of twin boundaries at nanometer scale will be shown. Establishin the microstructures (grain size and twin lamellae thickness)-fatigue properties relationship of the nanotwinned Cu samples. Combining with the theoretical analysis on the possible actived slip systems during the fatigue loading, the study will eventually clarify the unique fatigue properties of nanotwinned Cu samples and provide insight into the possible promising routes for optimizing the mechanical properties of nanostrucutred metals by tailoring the internal interfaces.

本项目拟利用直流电解沉积技术制备具有择优取向纳米孪晶Cu样品。通过应力控制和应变控制的疲劳实验，系统研究块体材料的高周和低周疲劳性能（包括疲劳极限、疲劳寿命、抗裂纹萌生能力等），阐明纳米孪晶Cu的微观结构（晶粒尺寸、孪晶片层厚度）与疲劳性能的关系。研究疲劳过程中材料表面形貌、晶界和孪晶界的稳定性及位错组态演化，澄清纳米孪晶界面在循环加载变形过程与普通大角晶界变形过程的异同，结合理论计算，揭示纳米孪晶界面的疲劳损伤机制和纳米孪晶界面的特殊疲劳形变行为，为设计疲劳性能优异的金属材料提供实验和理论依据。

和强度-塑性关系倒置类似, 传统金属材料的强度-使役性能(疲劳极限、疲劳寿命)之间也存在明显的倒置关系。大量研究表明在金属材料中引入高密度纳米尺度孪晶结构既可实现材料强化又可贡献可观塑性和加工硬化。目前，由于块体纳米孪晶金属制备困难(样品厚度较小)，有关纳米孪晶金属在循环交变载荷作用下的疲劳性能(尤其是应变控制下的低周疲劳性能)和循环变形机制研究仍十分有限。基于此，本课题主要针对块体纳米孪晶结构的可控制备、力学性能、疲劳性能和变形机制开展了深入细致的研究。首先通过系统研究直流电解沉积过程中工艺参数对纳米孪晶微观结构的影响，实现了块体(厚度> 3mm)择优取向纳米孪晶Cu样品的可控制备。通过压缩实验和详细结构表征，揭示纳米孪晶Cu中滑移系、晶粒取向对位错结构的影响机制。首次开展了纳米结构金属材料应变控制疲劳试验，发现纳米孪晶具有非常优异的高周疲劳极限和较长的低周疲劳寿命，突破了传统粗晶和超细晶(或纳米晶)金属材料普遍存在高周-低周疲劳性能的倒置关系。通过变幅疲劳试验，发现了纳米孪晶金属具有与疲劳历史无关稳定循环响应行为。这主要由于循环变形过程中，在纳米尺度孪晶间形成一种新型的高度关联项链状位错，沿平行于孪晶界方向往复运动来主导循环塑性变形，既不破坏纳米孪晶结构的稳定性也不造成累积损伤，与传统单晶、粗晶和纳米晶体金属具有的结构非稳定化和严重损伤累积的循环变形行为截然不同。以上实验结果不仅深化了人们对纳米孪晶材料的变形机制和疲劳行为的理解和认识，同时也为调控微观结构以优化工程金属材料的疲劳行为提供了一种新思路。