极小尺寸纳米晶镍和镍铼合金的制备及力学性能研究

Grain size has a great influence on microstructure and mechanical properties of metallic materials. However, until now, most studies were focus on the grain size from a few micrometers to tens of nanometers. It is unknown for the materials with grain size less than about 10 nm. Plastic deformation is an effective strategy to refine the grain size down to tens of nanometers. However, due to the mechanical driven grain growth of nanocrystalline materials during plastic deformation, the grain size of plastic deformation induced nanocrystalline materials is usually larger than 30 nm. In this study, we will synthesis extremely-fine nano-grained materials (<10 nm) by plastic deformation under extreme conditions (such as very low temperature, very high strain rate and strain gradient). In addition, the stabilizing effect of alloying is utilized to refine the microstructure to extremely fine scale. The structure evolution and parameters that influence the structural refinement will be systematically investigated. The grain refinement mechanisms which lead to the formation of extremely-fine nano-grained materials will be revealed. Finally, we will systematically characterize the microstructure of this type of material (by TEM, HRTEM, HAADF-STEM, etc.) and reveal its specific microstructure - mechanical property relationships. These studies will help us to explore new grain refinement mechanisms and new deformation mechanisms, and extend our knowledge of nanocrystalline metallic materials to the scale of a few nanometers.

纳米金属材料由于晶粒细小而具有许多优异的性能，但目前的研究晶粒尺寸集中在几微米至几十纳米。由于难以获晶粒尺寸小于10nm的高质量样品，这一尺度纳米晶材料的结构和性能特征均有待于研究和探索。塑性变形是一种制备高质量纳米晶材料的有效手段，然而，目前塑性变形制备的纳米晶材料晶粒尺寸大多在30-100nm，难以将晶粒细化至10nm以下，其原因在于纳米晶材料在塑性变形过程中易于发生机械驱动的晶粒长大。本项目通过极端条件下的塑性变形（极低变形温度、高变形速率、高应变梯度等）并结合合金元素的稳定化作用来抑制变形过程中发生的晶粒长大，进而制备结构均匀、晶粒尺寸可控的极小尺寸（<10nm）纳米晶材料。通过系统的微观结构表征，揭示极小尺寸纳米晶形成过程中的结构演化规律；澄清晶粒细化的微观机制；深入研究这一纳米晶材料的微观结构特征及独特的结构-性能关系和作用原理，将纳米晶材料的认识拓展至几个纳米的尺度。

纳米金属材料由于晶粒细小而具有许多优异性能，但目前的研究多集中在晶粒几微米至几十纳米。由于难以获晶粒尺寸小于10nm的高质量样品，这一尺度纳米晶材料的本征结构和性能均有待于研究和探索。塑性变形是一种制备高质量纳米晶材料的有效手段，然而，目前获得的晶粒尺寸大多在30-100nm，难以将晶粒细化至10nm以下，其原因在于纳米晶材料在塑性变形过程中易于发生机械驱动的晶粒长大。本项目通过极端条件下的塑性变形来抑制变形过程中发生的晶粒长大进而获得极小尺寸纳米晶材料。旨在揭示极小尺寸纳米晶的形成和演化规律，深入研究这一材料的本征结构特征以及独特结构-性能作用原理。. 项目采用表面机械碾磨处理技术（SMGT），通过调控工艺条件和参数来获得极小尺寸纳米晶样品，揭示了各变形参数及合金化对微观结构及晶粒细化的影响，发展了极小尺寸纳米金属的塑性变形制备方法。通过详细的微观结构表征系统研究了极小尺寸纳米晶Ni和Ni-Re合金的微观结构特征、形成演化机理及性能特征。. 项目成功的在纯Ni及Ni-Re中获得平均晶粒尺寸8nm的极小尺寸纳米结构。极小尺寸纳米晶Ni的强度高达8.5 GPa，高于以往报到的任何纳米晶Ni的强度，其强度仍然遵循Hall-Petch关系且具有优异的热稳定性和机械稳定性。极小尺寸Ni形成和变形时产生大量层错，能有效驰豫晶界，进而导致其优异机械性能。本研究发现，对Ni这一具有稳定FCC晶体结构的金属，当晶粒尺寸细化到一定临界尺寸时，低温条件下的SMGT变形抑制了位错滑移及晶界迁移，此时发生了FCC-HCP的相转变，形成了FCC和HCP结构混合的纳米晶，且HCP结构具有优异的热稳定性。极小尺寸纳米晶镍中产生的宽度为几纳米的层错不仅增加了体系的能量，同时提供了FCC-HCP转变的有利形核位置，促进了HCP纳米晶镍的形成。极小尺寸HCP纳米晶镍提供了一种新的结构，这一结构可能具有不同于FCC晶体结构的物理和化学特性。而塑性变形至极小晶粒尺寸时发生相转变的方法和机制有可能推广到其它类似金属和合金中，为调控材料的点阵结构及性能提供了一种新的途径。