非匀质梯度结构微纳金属应变硬化行为的研究

“Smaller is stronger” is the one of the main tenets of the micro/nano-scaled metals. However, the strength is greatly increased at the expense of their ductility. So, can we obtain high strength and high plasticity through designing and modulating the novel microstructures in the micro/nano-scaled metals? In recent years, numerous researches have indicated that bulk nanostructured metals with gradient structure exhibits a strong strain hardening behavior, which keeps high strength and high plasticity. Inspired by the idea, in this project we introduce gradient grained structure and heterogeneous interface in micro/nano-scaled metals through the approach of starting with microscopic level into mesoscopic level, i.e., “bottom-up” synthesis method. The strain hardening will be enhanced by the coordinated deformation of gradient grains increasing the dislocation multiplication and pile-up ability. We will systemically study the synergistic effect of the gradient grained structure and interface during the plastic deformation; explore the size effect of the intrinsic structure and sample geometric feature length-scale; construct physical presentation involving the interaction between dislocation with grain boundary, interface and surface; reveal their strong strain hardening behavior; clarify the intrinsic strengthening mechanism of the heterogeneous micro/nano-scaled metals with gradient structure. These work would provide us the new method and theory to design and prepare micro/nano-scaled metals with high strength and high plasticity.

“越小越强”是微纳尺度金属材料的主要特征之一，然而，这种强度的提高以牺牲塑性为代价。那么，能否独辟蹊径，通过微观结构的设计与调控达到“鱼与熊掌兼得”，即兼具高强度与高塑性？近年来，大量研究表明，具有梯度结构晶粒的块体金属展现出强应变硬化行为，强度提高的同时，保持了良好的塑性。他山之石，可以攻玉。本项目拟通过由微观层次进入介观层次的方法在微纳尺度金属中引入尺寸呈梯度变化的晶粒与异质界面，激活梯度晶粒的协调变形，增加位错的增殖与塞积能力，提高材料的应变硬化行为，获得高强度与高塑性。重点研究微纳金属梯度晶粒与异质界面塑性变形的协同效应，探索內禀结构特征和外在几何特征尺寸相关联的尺度效应，构建位错与晶界、异质界面以及表面相互作用等微观结构演化的物理图像，揭示其强应变硬化行为的内在规律，阐明非匀质梯度结构金属强塑性的物理机制，为设计与制备兼具高强度与高塑性的微纳金属材料提供新方法与新理论。

经过四年系统研究工作，顺利完成课题计划任务和预期目标。迄今，在该课题资助下共发表相关SCI学术论文19篇，中国发明专利授权1项，参加国内外学术交流13人次，联合培养研究生5名。取得主要成果简述如下：.微纳尺度金属材料通常“越小越强”，然而，强度提高以牺牲塑性为代价。那么，能否独辟蹊径，通过微观结构设计与调控达到“鱼与熊掌兼得”，即兼具高强度与高塑性？近年来，大量研究表明，具有异质结构晶粒的块体金属展现出强应变硬化行为，强度提高的同时，保持了良好的塑性。我们采用直流磁控溅射技术成功制备了具有单层等厚度和梯度变化的多层Cu/Ta金属薄膜，对于单层等厚度金属薄膜，固定Ta层为2nm，Cu层厚度分别为20nm、50nm、100nm或200nm；对于梯度变化的金属薄膜，固定Ta层为2nm，Cu层厚度从20nm逐渐梯度变化为200nm，晶粒尺寸随着层厚的变化而增加，即晶粒尺寸也呈现梯度变化。需要指出的是超薄的金属Ta层厚度近等于晶界的厚度，即起到类似“人工晶界”的作用。采用纳米压痕与原位压缩测试力学特性，结果发现，强度和塑性均随着厚度的减小而增加，当单层厚度为20nm时，单层厚度等金属薄膜的屈服强度和均匀塑性应变最高分别达到1GPa和70%，梯度变化的金属薄膜展现出硬化指数为1的线性应变硬化行为，同样兼具高强度与高塑性；超硬的Ta层在塑性变形过程中起到了强的约束作用，不但提高了异质界面的位错存储能力，还有效的抑制了应变局域化和剪切带的形成，从而极大提升了变形过程中的应变硬化能力，同时，循环变形显示出明显的背引力强化行为。为了进一步揭示材料强化的内部机制，我们采用大规模分子动力学模拟研究了其塑性变形过程，“人工晶界”与异质界面的约束是提高其力学特性的主要原因。通过以上研究，揭示了非匀质金属材料应变硬化行为，阐明了其相关的塑性变形机制，建立了非匀质结构金属材料强化机制新理论。这一全新的结构设计还可以有效推广到其他金属体系，也为高性能金属的设计与制备提供了重要的科学指导。