表层梯度纳米结构材料性能优化与主动控制结构稳定性的方法研究

Gradient nano-grained (GNG) materials are a unique class of materials with spatial gradients in grain size from the surface to the bulk, typically with gradients as nanometer-submicrometer-micrometer; the thickness of the gradient structure can be hundreds of micrometers and even millimeter. Due to the gradients in grain size, the mechanism of formation and deformation of grains has important influence on the mechanical behaviors of GNG. Therefore, this project aims to study the structure formation and evolution of GNG, optimize and control its macro-properties (strength and ductility) by controlling the grain sizes and gradients; further study the plastic deformation of GNG, reveal the interactions among dislocations, grains and grain boundaries, and explicit the relationship between dislocation hardening and softening caused by grain boundary movement and grain growth, then establish the relationship of structure-properties of GNG; study the mechanical behaviors of GNG in the gradient direction, and then find the main factors that can optimize and control the mechanical properties and structural stability; The results obtained from this project will be of great helpful to guide the structural design of GNG with high stability, toughness and strengthening.

表层梯度纳米结构材料是一类独特的纳米结构材料，其在空间上晶粒尺寸由表层到内里呈现纳米-亚微米-微米梯度分布，梯度纳米结构层的厚度超过百微米甚至毫米。由于晶粒尺寸的梯度变化，使得不同尺度晶粒层的形成与变形机制对材料的宏观力学性能有重要影响。因此，本项目以表层梯度纳米结构材料为研究对象，研究其结构形成机制与演化规律，通过对梯度纳米材料特征参数（特征尺寸，梯度等）的可控实现对强度、塑性等宏观性能的优化与控制；对其塑性变形机制进行研究，揭示位错、晶界与晶粒结构之间的交互作用，并研究塑性变形下机械驱动的晶界迁移与晶粒生长所导致的机械软化与位错硬化之间的竞争关系，明确其结构-力学性能关系；进而通过分析材料在外力场作用下的微观结构包括晶粒与晶界的演变，研究其稳定性规律；最终提出优化力学性能及主动控制结构稳定性的方法。课题预期的研究成果将为设计具有稳定结构的高性能表层梯度纳米结构材料提供理论依据。

本项目研究了复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系，包括基于蒙特卡洛波次模型建立了三维纳米结构模型，研究了晶粒演变过程，结合机器学习方法建立了力学性能与拓扑结构之间的关系，以及结构在存在缺陷情况下，受到不同载荷的力学响应，本研究对于如何合理利用力-结构-性能的关系，来对纳米结构材料的功能化进行主动编程，具有一定的意义。现对本研究所做工作进行总结：.（1）基于优化的蒙特卡洛波次模型，建立了真实的纳米结构模型，并研究了材料在变形过程中晶粒与晶界的变形过程，以及控制晶粒生长速度、晶粒尺寸以及晶粒平均面数的重要因素。.（2）提出了一套基于小样本数据标签，结合机器学习的非均质材料力学性能的预测方法。该方法利用迁移学习来实现减少数据标签的需求。该方法对于梯度结构-功能的关系预估，以及结构的优化设计，打开了新的思路，能够大大促进该领域的发展，此外当前方法是一种通用的方法，适用于其它非均质材料的力学性能表征研究。.（3）建立了具有分散性界面缺陷的结构模型，并基于自主开发的复合材料3D有限元程序，对含缺陷复合材料在拉伸下的响应开展了研究。通过对不同载荷，不同缺陷导致的微观结构的变化，揭示了缺陷对结构宏观力学响应的影响，并在缺陷的统计指标和构件的力学性能之间建立量化关系。