新型纳米多晶金属的塑性变形和断裂机制研究

With the rapid development of synthesis techniques and advanced instruments, three kinds of novel nanocrystalline metals have been successfully fabricated, including nanocrystalline metals with mean grain size of only 3 nm, nanotwinnned metals and gradient nano-grained metals. Owing to their unique microstructures, these novel metals have exhibited unusual mechanical behaviors or properties. However, the fundamental understanding in plastic deformation and fracture of these metals is lacking. In this project, we will use the finite element method, phase field modelling and molecular dynamics simulation to investigate the underlying mechanisms behind plastic deformation and fracture of these metals at macroscopic, mesoscopic and atomic scales. The relevant mechanisms include dislocation nucleation and motion, grain-boundary diffusion, grain-boundary sliding, grain-boundary migration, grain rotation, and complex interaction among dislocations, cracks and interfaces. By combining our computational studies with the relevant theoretical models, we will also analyze the relationship between mechanical properties and internal characteristic length scales of these novel metals, which provides the guidance for the fabrication and the structural design of nanostructured metals.

伴随着材料制备工艺的不断改进和先进仪器的快速发展，三种新型的纳米多晶金属材料得以问世，它们是平均晶粒尺寸仅有3纳米的纳晶金属、纳米孪晶金属以及梯度纳晶金属。最近的实验研究已表明，这些新型纳米多晶金属材料由于其具有独特的微观结构，因而表现出奇异的力学行为或优良的力学性能。然而，人们对这些新材料的塑性变形和断裂机制的了解是不够深入的。在本项目中，我们将利用有限元、相场模型和分子动力学方法，来研究这些新型纳米多晶金属材料的塑性变形和断裂行为，从宏观、介观以及原子尺度上探索材料塑性变形和断裂破坏的内在机理，将涉及到位错形核与运动、晶界扩散、晶界滑移、晶界迁移、晶粒转动以及位错与界面、裂纹的相互作用等。同时，结合数值模拟结果与相关的物理模型，我们将分析这些新型纳米多晶金属的力学性能与微结构特征尺度之间的依赖关系，这一研究成果将会为纳米结构金属材料的制备和设计提供一定的指导。

做为新颖的纳米多晶结构材料，纳米孪晶材料和梯度多晶金属材料由于其具有独特的微观结构，因而表现出优良的力学性能。然而，人们对这些材料的塑性变形和断裂机制的了解是不够深入的。因此，在本项目的执行过程中，我们采用了分子动力学（或有限元）模拟、与实验、力学理论相结合的方法研究了纳米孪晶材料和梯度多晶金属材料的塑性变形和断裂行为。研究成果揭示了一些新颖的塑性变形机制（包括割接位错运动和扭转作用下的退孪生机制）和断裂机理，阐明了位错、裂纹以及孪晶界之间的交互作用。同时我们发展了相关的理论模型，给出了纳米孪晶金属的屈服强度与微结构特征尺寸之间的定量依赖关系，并提出了一种小尺度下测量材料断裂韧性的实验方法。在项目执行过程中，共发表SCI论文11篇，这些论文已被他引97次。这些研究成果不仅为纳米孪晶材料和梯度多晶金属材料的塑性变形和断裂提供了基础的理解，而且为设计和制备具有优良力学性能的新型纳米结构材料提供了一定的指导。