梯度纳米结构表层材料的微观塑性行为

利用表面机械研磨处理技术，制备具有梯度纳米微结构表层(GNsL)的块体材料、即GNsL?材料，进行拉伸、压缩和纳米压入等力学性能测试、以及利用TEM和SEM原位加载台进行剥层样品与横截面样品的原位测试，研究GNsL与GNsL-材料的强度、宏/微观塑性变形行为；利用X-射线和高分辨TEM等研究GNsL的晶粒尺寸与相组成及其梯度分布特征、以及性能测试之前/之后位错、孪晶等晶体缺陷形成、组态、密度、分布、随应变的演化及其晶粒尺度相关性，重点研究晶体缺陷之间的交互作用行为，建立宏观力学响应与关键微结构参量、塑性变形参量之间的关联。揭示1) GNsL-材料的微观塑性变形行为和应变硬化机理；2) 纳米晶粒的应变能密度及其晶粒尺度的关联性。通过本项目研究，建立GNsL?材料的微结构、微观塑性行为和力学性能之间关联，为提高纳米晶结构金属材料的应变硬化能力、解决其低拉伸伸长率瓶颈等探索可能的途径。

纳米晶(NG)金属具有高屈服强度，但晶粒内部位错塑性主导时，均匀拉伸延伸率(Eu)<5%。利用晶粒尺度多重分布，或晶粒尺寸梯度分布的微观组织，可以提高NG-金属的塑性；然而，前者是利用已经长大的、后者则通过拉伸变形过程中原位长大的微米尺度晶粒，来提供塑性，所得到的并非真实NG-晶粒的本征塑性行为，且宏观力学性能都是牺牲强度换取塑性。因而，在准静态单轴拉伸时，NC-金属的本征塑性行为是迄今尚未解决的科学问题；提高其Eu的难点在于，NG-金属中已存的高密度位错，使其在塑性变形过程中无法具有加工硬化能力。. 本项目中，利用一种在金属表面施加强烈塑性变形(SMAT、SMGT)的技术，在IF(无间隙原子)-Fe中，制备了两侧为晶粒尺度呈梯度分布的纳米晶表层(GNG)、心部为均匀粗晶(CG)的块体样品、即GNG-CG。通过准静态室温单轴拉伸、加卸载拉伸、应力松弛、以及显微硬度测试等，研究了梯度结构的宏观应力-应变响应、应变硬化率、可动位错密度等及其演化；研究了位错的形成、湮灭与交互作用；特别地，通过精细测试样品侧面在拉伸过程中的高度差，获得了应变与应变梯度的分布。主要结果如下。首先，揭示了梯度纳米金属结构的应变硬化机理，获得了高强度与优异Eu。发现梯度结构的应变硬化率、以及可动位错密度在屈服后出现先增大再降低的现象，硬化率相比CG甚至降低得更为缓慢；特别地，在拉伸过程中，相比单独的NG-表层，梯度结构中的NG-表层的强度显著提高、即额外强化，额外强化有一个峰值、并随拉伸应变的增加向内部CG移动。GNG-CG具有非均匀塑性变形特征，进行塑性协调、并约束NG-表层早期失稳，NG-表层中发生从单轴向多轴应力状态的转变，同时形成应变梯度，导致几何必须位错的额外强化。NG-晶粒本身未长大，应力状态的改变使其内部位错密度先降低后增加。相比CG，梯度结构的屈服强度提高了260%、Eu相比CG(32%)仅略有降低为29%。其次，在镁合金的梯度纳米结构中，亦获得了高强度优异塑性的综合力学性质，梯度纳米结构镁合金的均匀拉伸伸长率同时高于梯度表层与基体，与织构弱化和变形孪晶有关。最后，利用分子动力学模拟，研究了Fe梯度纳米结构的塑性变形、断裂行为及其原子尺度机制，从晶粒尺度相关的位错形核、以及小角晶界、固定位错的形核与演化等方面，阐明了梯度纳米结构特殊的变形/断裂响应特征。