纳米层状金属材料界面特性的原子尺度调控与强韧化能力研究

The strengthening ability and deformation stability of metallic nanolaminated composite are closely related to interface properties of the materials. For this key scientific problem, this project proposes a new idea on the modulation of interface misfit in the nanoscale laminated metals at atomic scales through the alloying of the constituent layers. Nanoscale Cu/Ni laminated composite is selected as a model material. The interface misfit properties between the Cu-Au alloy layer and the Ni layer in the laminated composites will be tailored at atomic scales through gradually adding Au (Au<15at.%) into the Cu layer. The interface strengthening ability and plastic deformation stability of the Cu-Au/Ni laminated composites with different interface misfit properties will be investigated systematically using micro/nano-mechanical testing methods combined with the characterization technique at atomic scales and analysis methods. The basic principle for tailoring interface properties at atomic scales will be explored. The design rule for high-performance nanoscale laminated composites will be obtained. It is expected that the basic ideas and the research results from the present project will not only get insight into basic mechanisms on strengthening and toughening in the nanoscale laminated composites, but also provide a new idea and novel way for the design of the high-performance nanoscale laminated composites toward the application in various high technological fields.

纳米层状金属材料的强化能力与变形稳定性与材料的界面特性有密切的关系。针对这一关键科学问题，本项目提出“通过组元层的合金化，在原子尺度上连续调节纳米层状材料界面点阵失配特性”的新思想。项目拟以纳米尺度Cu/Ni层状材料为对比材料，在此基础上，通过在Cu组元层中逐渐添加Au(Au<15at.%)，对Cu层进行合金化，在原子尺度上调节Cu-Au合金层与Ni层间的界面点阵失配特性；采用微/纳米力学测试方法，结合原子尺度下的微观结构表征技术与分析手段，系统研究具有不同界面点阵失配特性的Cu-Au/Ni纳米层状材料的界面强化能力与塑性变形稳定性；探究在原子尺度上纳米层状材料界面特性调控的基本原理；提出高性能纳米层状材料的原子尺度界面设计准则。项目学术思路的实现和研究结果不仅加深人们对纳米层状金属材料的强化与韧化机理的理解，且为面向各种高技术领域应用的高性能纳米复合材料的设计提供新思想和新途径。

纳米层状金属材料的强化能力与变形稳定性与材料的界面特性有密切的关系。针对这一关键科学问题，本项目设计制备了一系列超细尺度层状金属复合材料，开展了由不同组元层尺度、厚度比、层界面种类的超细尺度层状金属材料的强韧化、塑性失稳与断裂、疲劳行为等方面的实验研究与理论计算工作。项目取得如下主要创新结果：.1）Cu/Au纳米层状复合材料的显微压痕下变形行为表明：随着变形的逐步增加，由于尺度的变化所带来的变形机制的转变导致Cu和Au组元层的共变形能力提升。剪切带中的Cu/Au界面产生了非晶体学旋转，可以理解为一系列均匀分布的位错连续跨越界面的滑移行为并且造成界面结构无序化。.2）超细尺度Cu/W和Mo/W纳米层状材料的疲劳开裂研究表明：截面和表面的开裂行为分别受组元层晶粒尺寸和晶界对齐偏差以及纳米团簇尺寸及取向控制，并建立了预测裂纹偏折长度的晶界随机排列模型。.3）Ni/Cu/Ni三明治层状材料的力学行为研究表明：界面耦合产生的几何必要位错强化和Cu层自身循环硬化具有竞争关系，界面耦合作用随着Cu层初始位错密度的增加而逐渐削弱；随着Cu/Ni厚度比的减小，材料发生了铜层颈缩被延迟向铜层颈缩被完全阻止的韧脆转变。提出了悬臂梁挠度模型，理论计算出了韧脆转变的临界厚度比。.4）超细尺度Cu/Ni层状材料高周疲劳研究表明：超薄Cu层的引入导致疲劳裂纹在界面附近扩展时发生了局部界面脱粘和裂纹偏折的交替进行，从而形成离散台阶/碎片状断裂形貌，最大化地实现界面对裂纹扩展的阻碍作用，从而使得层状材料不仅具有高强度，且具有较高的疲劳比。.5）Ni/Fe基非晶/Ni三明治结构材料的断裂行为研究表明：两侧的镍层主导了非晶层剪切带的萌生和稳定扩展行为。镍层越厚，切应力越低，主剪切带越能够稳定扩展从而延缓非晶层的失稳断裂。.本项目学术思路的实现和研究结果不仅加深了人们对纳米层状金属材料的强化与韧化机理的理解，且为面向各种高技术领域应用的高性能纳米复合材料的设计提供了新思想和新途径。