表面梯度纳米孪晶结构合金的局域化协同塑性变形行为研究

Since nanocrystalline metals exhibit a very limited ductility, improved strength-ductility synergy is expected extensively through gradient microstructure with grain sizes increasing from nanoscale at the surface to coarse-grained in the core. Plastic co-deformation behavior plays an important role in the overall ductility of such nanostructured material through orderly deformation. In the present project, a gradient nanotwinned structured surface layer will be prepared on the Fe-28Mn steel sample with nanograins, nanotwinned bundles and micro-sized grains. SEM and TEM characterizations will be performed on the surface layer under micro/nanoindentation-induced plastic deformation. It is aimed to reveal the influence of subsurface gradient structure on the plastic deformation of topmost surface layer with nanograins. As to the subsurface layer with nanograins and nanotwins, the plastic deformation mechanism of nanograins will be clarified in conjunction with the surrounding nanotwins. Finally, the plastic co-deformation mechanisms will be explored between the nanotwinned and the micro-sized grains under gradient distribution with variant volume fractions of nanotwins. The findings will shed new insight into the understandings of plastic deformation of gradient nanotwinned structured alloys, which may help to guide designing and processing gradient nanostructured materials with high strength and superior ductility.

由于纳米晶金属极其有限的塑性，通过微观结构尺寸的梯度分布改善纳米结构材料的强度—塑性匹配备受国内外关注。梯度纳米结构的协同变形行为将决定各个结构之间的变形顺序和相互关联性。本课题针对纳米晶、纳米孪晶以及微米级晶粒组成的梯度纳米孪晶结构Fe-28Mn钢表面，采用微/纳米压入产生局域化塑性变形区，结合扫描电镜和透射电镜表征，重点研究梯度结构中的次表层对表面纳米晶层塑性变形行为的影响，揭示梯度结构中的纳米孪晶对相邻纳米晶区域塑性变形的促进作用，获得纳米孪晶与微米级晶粒梯度结构的协同变形机制。本课题的研究将为理解表面梯度纳米孪晶结构合金的塑性变形机制提供新思路，为设计制备兼具高强度和高塑性的梯度纳米结构合金材料提供理论依据。

探讨纳米晶、层片等微观结构特征在外加载荷作用下的演变，以及不同微观结构界面附近的变形/损伤机制，对于优化纳米晶/层片结构设计，获得优异性能匹配至关重要。本报告在前期针对金属梯度纳米孪晶层片结构的宏观拉伸性能测试、协同塑性变形行为分析的基础上，扩展到纯金属纳米颗粒与晶界、合金梯度结构、陶瓷层片界面研究。以纳米晶粒和晶界的交互作用为目标，获得了晶界能演变随晶界位置函数的变化，发现最大钉扎力可以直接计算获得并与理论预测相符，基于分析对不同晶界的最大钉扎力与钉扎效率之间的关系进行了比较。在纯金属及纳米晶与晶界理论分析及纯金属实验研究基础上，开展合金梯度结构纳米晶及纳米孪晶协同变形机制分析，以及不同方向的微拉伸及纳米压入/划入力学行为研究。在单向拉伸应力作用下，沿梯度结构平行和垂直方向的塑性差异明显，证实其不同取向微观结构出现塑性失稳的差异性；同时首次采用纳米/压入划入系统对梯度结构不同方向开展研究，获得划入载荷作用下平行和垂直方向划痕边缘的塑性变形特征，并对底部局部区域的变形特征进行对比。借助光固化技术的分层成型方法获得梯度结合陶瓷材料，经宏观力学性能测试发现，在梯度层片结合良好的情况下，三点弯曲加载过程中并未出现优先沿层间方向开裂的倾向；从微观的纳米压入/划入测试看，沿垂直层片方向的切向力并未出现对应层间位置的微裂纹，证实其分层成型获得的优异界面结构稳定性。本报告针对不同层级的梯度结构评价其微观结构对于宏观/微观力学行为的作用机制，能够为理解梯度纳米结构的早期失效、梯度结构的力学性能与变形各向异性、层片内部局域化变形/损伤发展过程，以及设计制备高强度高稳定性的金属/陶瓷梯度结构提供理论依据。