具有大弹性应变/高强度纳米结构材料变形机制的纳米/原子尺度原位动态研究

The deformation mechanism and the mechanical properties of nanostructured material can be optimized by varing the interface structure, the mode of deformation and the main characteristic size of materials. Understanding the deformation mechanism of nanostructured materials in nano/atomic scale is great importance in developing new high-performance nanostructured materials. In this project, the influence of interface structure, deformation mode (activation of dislocation and martensitic transformation) and the main characteristic size on the deformation mechanism in nanostructured materials, having high elasticity or high strength, such as: Nb/Cu, Nb/NiTi multilayers, Nb/NiTi nanocomposites, was studied using TEM tensile technique developed by our group. The tranforming and couping mechanism between the matrix and the strengthed phase was also studied here. Based on the study, the project aims at setting up the model of "Microstructure-deformation mechanism-mechanical property" for nanostructured materials.

纳米结构材料可以通过调控界面的结构、变形方式，主要特征尺寸来调控材料的变形机制、优化材料的力学性能。深入理解纳米结构材料纳米/原子尺度的变形机制，对于发展新型高性能纳米结构材料具有十分重要的意义。本项目拟选取具有大弹性应变、高强度的纳米结构,如:Nb/Cu、Nb/NiTi纳米多层膜，Nb/NiTi纳米复合材料作为研究对象；利用课题组发展的透射电镜拉伸变形技术，在纳米/原子尺度原位动态的研究界面结构、变形方式（位错运动、马氏体相变）、主要特征尺寸对变形机制和力学性能的影响，并揭示其微观机制。研究基体相、增强相的应力-应变传递、耦合机制。基于以上研究，建立针对纳米结构材料的"显微结构-变形机制-力学性能"模型。

利用原位复合的方法制备的Nb/NiTi纳米复合丝材已被证明具有超大弹性，如果能采用累积叠轧的方法制备大尺寸的NiTi基复合材料，则有望进一步拓展其应用前景。此外，强化相与基体间的原子尺度协调变形机理受研究方法的限制一直缺乏直接的实验证据，在一定程度上制约了新型纳米复合材料设计；与基体变形为位错运动的其他复合材料相比，NiTi基纳米复合材料的基体在外界应力作用下发生应力诱发马氏体相变，其与强化相的协调变形机理应明显不同，但同样没有清晰的阐述。针对上述科学问题，本项目首先采用累积叠轧和磁控溅射的方法制备了不同NiTi基及Cu基纳米复合材料，研究了轧制道次及热处理工艺对材料显微结构的影响规律；研制出系列透射电镜中原位原子尺度实验力学方法，在原子尺度研究了基体与强化间的协调变形机理；发现随着轧制道次的增加，Nb晶粒趋向形成[110]//RD方向的织构，NiTi晶粒趋向形成[112]//RD织构。当基体变形方式为应力诱发马氏体相变且Nb为纳米尺寸时，Nb纳米线可实现局部理论8%弹性应变；NiTi中发生非连续马氏体相变时，马氏体与界面结合处发生应变传递行为，且应变自界面到芯部呈逐渐递减趋势；Nb纳米线中的应变分布与NiTi基体中的应变分布相对应，即与马氏体接触的区域发生大弹性应变，与非马氏体相变区域接触的Nb中发生~1%的弹性变形。该发现表明Nb纳米线尺寸越小，则越有利于NiTi马氏体相变应变与Nb超大弹性的匹配，越能提高NiTi基纳米复合材料的可回复弹性应变。