表面梯度纳米晶结构材料强韧化研究

Extensive investigations indicated that with a substantial reduction of grain sizes into the nanometer regime, the strength of polycrystalline metals is greatly increased, but at the expense of their ductility, which limits their large-scale application. Recently surface gradient nano-grains (S-GNG) structure was introduced into metals, producing excellent strength and ductility. Rotational Assisted Shot Peening (RASP) is used in the present project to bring S-GNG structure to different metals. By designing different S-GNG structure and testing their mechanical properties, try to clarify the relationship between the S-GNG structure and strengthening-toughening property of the metal, and to discover the mechanism behind. Combined the modeling result, to optimize the S-GNG structure and provide the best S-GNG structure model for different metals. To decrease metal's stacking fault energy (SFE) by alloying, and to impart S-GNG structure to metals with different SFE. Investigation is paid to analyze the influence of SFE on strengthening-toughening property of metals with different S-GNG structure. After subsequent heat treatment, a special 3-dimentional "Gradient + Bimodal" is to be expected in a metal with S-GNG structure. Test and analyze the mechanical properties will help to understand the influence of the heat treatment and the special structure on the strengthening-toughening property of the metal. The project is anticipated to push the S-SNG structure materials to apply in different industries such as aerospace and automobile.

纳米晶金属材料的高强度倍受关注，但其低塑性限制了其作为结构材料的大规模应用。已有研究结果表明表面梯度纳米晶（S-GNG）结构材料同时具有高的强度与塑性。本项目利用RASP技术在多种金属表面引入S-GNG结构，通过设计不同的S-GNG结构并测试其性能，明确S-GNG结构与材料强韧性之间的关系，并揭示其影响机理。结合计算模拟分析，提供不同材料最佳S-GNG结构模型，为S-GNG结构材料的应用开发提供理论依据。通过合金化降低材料层错能，在表面引入S-GNG结构，测试不同层错能材料S-GNG结构的塑性，分析层错能对S-GNG结构材料强韧化的影响。通过后续热处理在S-GNG结构材料中获得独特的三维尺度呈"梯度+Bimodal"的结构，测试此类结构的力学性能，阐明其强韧化机理。本项目对S-GNG结构材料强韧化机理的研究，将会推动S-GNG结构材料在航空航天、汽车制造等领域的应用。

表面梯度纳米晶（S-GNG）结构材料由于其具有高的强度塑性匹配而备受关注。本项目主要致力于S-GNG材料的制备、微观结构表征和力学性能测试。开发出具有独立知识产权的S-GNG结构材料制备技术旋转加速喷丸装备（RASP）和压电式表面纳米化装置（PSNC）。成功地在纯铜、纯钛、5052铝合金和316L不锈钢等金属材料引入S-GNG结构，研究不同材料S-GNG结构形成机理，并研究不同S-GNG结构材料的力学性能。结果表明，RASP处理后的纯铜梯度层深度约为800微米，最表面纳米晶粒平均尺寸为30纳米。纳米晶的形成机理主要分为两个阶段：首先是位错机制形成100纳米左右的超细晶粒。其次在超细晶粒内部由晶界发射不全位错形成高密度的纳米孪晶，并对纳米晶粒进一步切割细化晶粒，并最终在纯铜最表面形成纳米晶粒，该晶粒细化机制在先前的文献中鲜有报道。通过控制处理参数，在纯铜材料表层获得了不同深度和比例的S-GNG结构，拉伸试验结果表明S-GNG结构纯铜的拉伸强度明显提高，同时保持了良好的塑性。通过模拟和实验给出了最佳S-GNG结构模型。对S-GNG结构纯铜进行后续的退火处理，发现纯铜的强度得以明显提升，同时保持延伸率基本不变。微观结构观察表明材料组织内的位错回复更好地协调了不同晶粒之间的变形，从而提高材料的强度。此外，本项目以RASP纯铜、高压扭转铜锌合金和液氮温度轧制纯钛为对象，研究了不同材料的孪生行为。发现了纯铜在高应变速率下的孪生形成以及退孪生现象，并建立了相关模型。对高压扭转铜锌合金中不同晶粒尺寸中的孪晶片层厚度进行了研究，发现晶粒尺寸在20~300纳米之间时，晶粒内部均有孪生形成。而当晶粒尺寸小于20纳米，晶粒内部只有层错，没有孪生形成。和室温轧制纯钛样品相比，液氮温度轧制纯钛样品中有更高密度的孪生和更多的孪生变体。一次孪生、二次孪生和三次孪生变体类型遵循“拉伸-压缩-拉伸”或“压缩-拉伸-压缩”顺序，后续孪生变体类型的产生被证明符合斯密特定律。获得2项实用新型专利，申请3项发明专利。发表（含接收）论文5篇，其中SCI4篇。