超细晶材料在高温、高应变率下的力学行为

本项目采用理论分析、试验测试与数值模拟相结合，宏-细-微观分析相结合的方法，研究超细晶材料在高温、高应变率及其耦合作用下的力学行为、变形机理及破坏机制。采用新型带高温试验环境的Hopkinson压杆及微型Hopkinson杆系统，结合单脉冲加载技术，获得典型超细晶材料在不同温度、不同应变率及其相互耦合条件下的力学行为，研究其力学性能对温度及应变率的依赖性及敏感性，结合微细观观测及分析，揭示超细晶材料变形机理、破坏机制及宏观力学性能对其微细观结构演化的依赖规律，并建立计及温度、应变率、晶粒尺寸及其分布特征在内的超细晶材料的热粘塑性本构模型，探索改善超细晶材料在高温、高应变率耦合下力学性能的途径。本项目的开展预期能揭示超细晶材料微细观参数与宏观力学行为的关联规律，推动冲击动力学试验技术和计算方法的完善和发展，还对超细晶材料的制备及其在航空、航天等领域内的应用有重要的指导作用。

根据《计划书》要求，本课题旨在研究典型FCC、HCP结构超细晶材料的力学行为，获得力学性能对温度、应变率以及材料微观结构依赖性，揭示超细晶材料的变形机理、强化机制。经过课题组成员的共同努力，很好的完成了既定目标，取得了丰硕的研究成果，具体体现在以下几方面。.（1）在超细晶材料的制备方面，针对典型的制备方法-ECAP法进行了系统研究。通过数值仿真分析了不同挤压路线制备材料的变形均匀性，获得了最优的挤压路线，在此基础上设计、加工挤压模具，制备了超细晶铜和铝；针对镁合金室温加工易碎裂的特点，设计加工了高温ECAP模具，成功制备出细晶镁合金；针对纯钛室温难以挤压的特点，创造性地提出了铜包裹钛的挤压试样设计，成功制备出超细晶钛。微观组织分析表明，所制备的铜和钛的平均晶粒尺寸约为300nm，铝约为800nm，达到超细晶水平，镁合金的晶粒尺寸约为2μm，接近超细晶水平。.（2）深入研究了材料高温、高应变率耦合实验方法，并针对超细晶材料热稳定性不足的特点，提出了测试其温度与应变率耦合条件下力学性能的途径。.（3）系统研究了超细晶纯铜、纯铝、纯钛以及两种细晶镁合金（铸态和变形态AZ31）的力学行为，分析了材料力学性能对晶粒尺寸、温度和应变率的依赖性。观察分析了超细晶材料的断裂破坏行为，提出了提高其强韧性的可能途径。.（4）对超细晶材料的本构关系和变形机制进行了深入研究，提出了铜的计及应变率、位错密度和晶粒尺寸的本构模型；分析了纯铝和镁合金AZ31晶粒细化的微观机理和应变硬化、应变率硬化特性变化的微观机制；同时利用分子动力学方法研究了晶粒尺寸、孪晶厚度、堆垛层错厚度对纳米多晶镁、铜强化机制的影响，晶粒界面对纳米多晶金属材料裂纹扩展的影响以及非晶界面对纳米镁铝合金材料力学性能的影响。.（5）利用数值方法研究了超细晶材料的剪切破坏过程，综合考虑了应变硬化、应变率硬化、温度软化和几何软化效应，对铁和铜进行了系统的数值模拟。对采用二维特征锥方法分析二维场中弹塑性动力学问题进行了尝试，并运用有限元软件ABAQUS模拟了二维绝热剪切动态传播过程，获得绝热剪切带传播速度依赖加载速度的曲线。.本课题共发表学术论文55篇，其中SCI收录33篇（其中1、2区论文22篇），EI收录53篇。培养博士后2人，博士研究生6人，硕士研究生11人。举办国际会议4次、国内会议1次，总参会人数240余人。