BCC超细/纳米晶金属动态局部剪切行为的温度效应

BCC超细晶(UFG)/纳米晶(NC)金属跟粗晶相比强度显著提高，但塑性较低，一个主要原因就是局部剪切失稳。因此充分了解该类材料的局部剪切失稳机制，特别是认识温度对于动态局部剪切行为的影响机理，探索可能的强韧化机制就具有重要的实际意义，也能为该类材料在不同温度环境下的应用提供有益的理论依据。本项目拟以UFG/NC?Fe作为研究材料，探讨不同温度条件下的局部剪切失稳机制，以及这些微观机制和材料的强度、塑性之间的关系法则。具体研究内容包括：揭示UFG/NC?Fe的宏观力学行为随温度、晶粒尺寸的变化规律；认识和理解液氮动态变形下变形孪晶的尺寸、比例和动态塑性变形大小的关系，以及变形孪晶和纳米晶粒组成的混合结构对局部剪切行为的影响机理；认识和理解不同的高温环境和加载方式对晶粒局部长大的影响规律，以及纳米晶粒和微米量级晶粒混合结构对局部剪切行为的影响机理。研究结果可为这类材料的广泛应用提供理论基础。

单一纳米结构金属虽然具有很高的强度，但是其韧性往往较差，特别是在动态条件下容易导致局部剪切失稳，很难具有较好的强韧综合性能，从而限制了其工业应用。因此充分了解该类材料的局部剪切失稳机制，特别是认识温度对于动态局部剪切行为的影响机理，通过多级纳米结构设计探索可能的强韧化机制就具有重要的实际意义。项目执行人通过控制应变的动/静态试验、微结构观察手段以及分子动力学模拟，阐明了几种典型多级纳米结构金属在不同应变率下的微结构演化规律、强韧化机制及其尺度效应的原子层次机理，提出了优化综合性能的策略，为纳米结构金属的广泛应用提供了理论依据。主要研究成果包括：(1) 阐明了纳米晶铁中绝热剪切带的演化规律，剪切带的演化包含nucleation和thickening两个阶段，剪切带的宽度、剪切带内的硬度都随着剪切变形的增加而增加，TEM工作也表明剪切带内的晶粒进一步细化，另外合适的退火条件能够形成晶粒尺寸的双峰分布(Bimodal)，抑制了纳米晶铁中剪切带的产生和扩展从而提高其动态断裂韧性；(2) 揭示了严重塑性变形条件下奥氏体/铁素体双相钢的微结构演化规律及其应变硬化行为，另外研究发现通过严重塑性变形加上后续的合适温度下的退火，能够获得良好的强韧综合性能；(3) 阐明了纳米孪晶金属冲击响应和层裂强度的尺度效应以及微空洞形核机理，研究发现纳米孪晶多晶铜的层裂强度和孪晶片距无关，这主要归因于其空洞都是从晶界处形核并沿晶界扩展，层裂行为与晶内的位错行为无关，而对于纳米孪晶单晶铜，其层裂强度却随着孪晶片距的减小而增大，这主要归因于其不同的空洞形核机理(由孪晶界发射偏位错，从而在孪晶界和偏位错的交接处形成空洞)，孪晶片距越小，单位面积的孪晶界数目就越多，层裂过程中同时形成的空洞数目就越多，层裂过程中所需的拉应力就越高；(4) 阐明了多级纳米孪晶金属的形成机理、强度的尺度效应及其变形机理；(5) 揭示了多级纳米孪晶金属断裂的原子层次机理；(6) 揭示了纳米尺度压头浅压痕测量硬度的晶粒尺度效应及其变形机理；(7) 利用有限元和量纲分析，建立了纳米梯度结构材料的球形接触模型。研究结果为纳米结构金属的强韧综合性能设计提供了理论依据，也为设计超高应变率冲击条件下的高强高韧防护金属材料提供了有益的思路。