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超細晶/納米晶金屬結構材料研究取得新進展
2019-01-01  |          【 】【打印】【關閉

  随着现代工业的迅速发展,工业界对于具有高强高韧等优质力學性能的金属材料有着前所未有的需求。利用严重塑性变形方法制备(severe plastic deformation, SPD)的超细晶/纳米晶金属结构材料由于其优异的力學性能受到广泛的关注。利用SPD方法制备纳米晶材料的基本物理原理是利用塑性变形通过位错滑移和变形孪生两种基本的塑性变形机制将初始粗大晶粒(>10μm)細化至超細晶(<1μm)或纳米晶尺度(<100nm)。根据传统的晶体塑性变形理论可知,层错能是影响金属材料微观变形机制最主要的因素之一。经过近十年的研究探索,我们以Cu和Cu合金(Cu-Al,Cu-Zn等)为模型材料,深入细致的研究了层错能对于超细晶/纳米晶材料微观结构、拉伸性能、强韧化机制以及疲劳行为等方面影响的进展,丰富和加深对超细晶/纳米晶材料微观结构与性能之间的关系以及材料塑性变形理论的理解,不仅具有重要的学术、科学价值,对指导工程材料设计也有很重要的指导意义。上述系统性研究结果以题为“Significance of stacking fault energy in bulk nanostructured materials: Insights from Cu and its binary alloys as model systems”发表在Prog. Mater. Sci., 101 (2019) 1-45.

  論文鏈接 

  (1) 层错能不仅影响对超细晶/纳米晶材料微观结构形成的基本机制,随层错能降低,晶粒细化机制逐步从位错分割机制转变为孪晶碎化机制;材料的平均晶粒尺寸从超细晶范围进一步细化至纳米晶尺度;材料的微观结构均匀性经历先难后易的转变。

  (2) 随层错能降低,超细晶/纳米晶的强度得到明显的改善。根据外部变形条件的变化,存在一最优层错能值使其均匀延伸率最佳。随层错能降低,材料的强塑性匹配得到明显提升。细晶材料在强度较高的同时具有一定的塑性,因此可以获得比较好的强塑性匹配。

  (3) 随层错能降低,超细晶/纳米晶高、低周疲劳性能而显著提高。其最重要的疲劳损伤机制,晶粒长大导致的微观结构不稳定性和高度应变局部化的剪切带都随层错能的降低而明显改善。材料的微观疲劳损伤机制从晶界迁移主导的晶粒长大逐步转变为其它晶界行为。通过对微观结构的优化,即使在拉伸强度降低的情况下,其疲劳极限依然得到大幅调高。

图1. SPD过程中,层错能对Cu-Al合金的位错结构演化、变形孪晶和微观剪切带及其承担塑性变形的影响

图2. 位错滑移应力与变形孪生应力与层错能的关系以及随层错能的变化不同机制主导结构演化的示意图

图3. 单相金属材料的微观结构与强塑性匹配的关系

图4. 层错能和微观结构对于材料拉伸强度与疲劳极限关系的影响

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