纳米孪晶金属宏观力学特性和微观变形机制的缺陷结构动力学行为研究

Nano-twinned (nt) metals usually exhibit excellent mechanical properties, such as strength-ductility synergy, fatigue endurance, stability and so on. The good mechanical behaviors are related to its microscopic deformation mechanisms. Now it is still difficult to explore the mechanisms on atomic scale and the complex dynamic processes during the deformation of nt metals, so our understanding on its general constitutive relationship is poor. In this project, we are planning to study the deformation process of the nanocrystalline metals with different twin structures by means of the molecular dynamics method. By means of the cluster characterization method and cluster tracing technique proposed by us, the different defective structures will be identified and traced when they interact with each other. The successful implementation of this project will have important theoretical meanings on deeply understanding the effect of twin structure features on the macroscopic mechanical behaviors and microscopic deformation mechanisms of nt metals. The relationship of “twinned structure-deformation mechanism-mechanical behavior” is revealed by means of the defective configures, and provide a practical guidance on how to design and prepare the nanocrystalline materials with excellent mechanical properties.

纳米孪晶金属往往呈现良好的强塑性匹配、高疲劳寿命和结构稳定性等优异力学行为而备受关注，其宏观力学性能与其独特的微观变形机制密切相关；但是，当前的研究仍难以触及纳米孪晶金属变形时原子尺度机理和复杂动力学过程，从而影响了对纳米孪晶金属本构关系的深入理解。为此，本项目拟采用分子动力学模拟与晶格位错理论相结合的方法，借助于课题组已经建立起来的微观结构表征方法和团簇结构演化跟踪技术，对位错、层错、孪晶界和晶界等缺陷结构组态进行识别，并跟踪它们交互作用时各缺陷结构组态演化的动态过程，深刻揭示不同孪晶结构特征对纳米孪晶金属宏观力学行为和微观变形机制的影响规律。以纳米孪晶金属变形过程缺陷结构组态为桥梁，深刻揭示“孪晶形貌-变形机制-力学性能”三者之间联系，为设计和制备具有优异力学性能的纳米孪晶材料提供重要的理论指导。

纳米孪晶金属往往呈现优异力学行为而备受关注，但是当前的研究仍难以触及纳米孪晶金属变形时原子尺度机理和复杂动力学过程，从而影响了对纳米孪晶金属本构关系的深入理解。本项目采用分子动力学方法，对层错能相差较大的Al、Ni、Cu和Au等纳米孪晶金属的变形过程进行模拟，通过分析各力学特性参数随孪晶结构特征的变化规律，以及不同金属体系对这种变化规律的影响，全面研究了纳米孪晶金属的宏观力学特性；通过对变形过程各种缺陷结构组态进行识别，并跟踪它们交互作用时演化的动态过程，深入研究了纳米孪晶金属的微观变形机制。通过本项目的研究，获得了一些有意义的结果：（1）建立了高效识别位错、层错、孪晶界和晶界等缺陷结构组态的方法，以及跟踪这些微观结构组态动态演化的方法，进而揭示了位错的三维拓扑结构及其动力学行为。（2）揭示了孪晶面空间分布对力学特性和变形机制的影响规律，发现孪晶界间距分布对孪晶金纳米结构的杨氏模量和强度影响不大，但对其塑性有显著影响，具有较高局部对称比的纳米结构具有较好的塑性。（3）揭示了层错能对纳米孪晶力学特性和变形机制的影响规律，发现具有较高层错能的Al纳米孪晶不同于其他FCC金属，在较大平均晶粒尺寸下随孪晶间距的减小呈现持续强化。（4）揭示了孪晶取向对纳米孪晶力学特性和变形机制的影响规律，发现随加载方向与孪晶面夹角的增大，屈服应力呈现先降低再增加的变化规律，当θ处于30° < θ < 75°时，会出现应变硬化的现象；退孪生行为形成的单晶结构引起了应变硬化现象。这些研究结果深刻揭示了纳米孪晶金属的宏观力学特性与微观结构之间的关联，为设计和制备具有优异力学性能的纳米晶材料提供重要的理论指导。在项目执行期，共发表学术论文7篇，授权发明专利1项和软件著作权1项，获得陕西省科学技术奖二等奖1项，培养博士毕业生1名，硕士毕业生2名。