《亞微米結構純鋁變形初期高硬化率的機理研究》是依託上海交通大學，由沈耀擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：亞微米結構純鋁變形初期高硬化率的機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：沈耀
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
亞微米結構純鋁在變形初期的加工硬化率比粗晶純鋁高很多，但位錯密度卻反常下降，還會表現出退火強化的現象。目前的認識僅局限於位錯源強化起重要作用，但對於出現這些現象的具體機制還不清楚。本項目擬通過實驗和模擬相結合的方法，比較亞微米晶與粗晶純鋁中位錯源的開動、位錯與晶界的相互作用及位錯之間的相互作用等方面的差異，進一步分析這些因素與位錯密度演化及加工硬化之間的聯繫。實驗上，通過原位XRD拉伸實驗測量位錯密度隨應變的演化，通過TEM原位拉伸，觀察分析位錯行為，分析亞微米結構材料高硬化率的關鍵因素。模擬上，綜合考慮微觀結構和這些關鍵因素的相互作用，建立聯繫微觀位錯行為與巨觀力學性能的離散位錯動力學模型，結合相場位錯動力學和分子動力學模擬，進一步地分析和補充實驗所揭示的規律。以期深入理解亞微米結構材料變形和退火強化的微觀機理，為亞微米結構材料延伸率的改善提供新思路。
結題摘要
本項目以亞微米晶結構純鋁在變形早期具有的高硬化率現象為出發點，在原位變形條件下追蹤了亞微米晶結構純鋁內位錯密度演化情況，發現了在高硬化率階段位錯密度演化的雙階段特徵，結合對高硬化率階段關鍵位錯行為的原位觀察，提出了該材料變形早期高硬化率階段的變形機理，並進一步推廣套用到該材料退火強化現象的微觀機理解釋上。 研究結果表明，該材料高硬化率現象與兩種關鍵位錯行為相關，分別是前期晶內離散位錯運動和後期亞微米晶晶界網路上的間斷位錯發射行為。晶內離散位錯運動是單晶粒範圍內的位錯行為，發生這一行為的晶粒數目隨著巨觀應力水平的提升而增加，其餘晶粒僅發生彈性協調變形，這一位錯行為主導階段內，材料內位錯密度維持基本不變，塑性變形量較小，硬化率隨著發生這一行為的晶粒數目增加而下降。在巨觀應力的升高和離散位錯晶界附近塞積引起應力集中的共同驅動下，亞微米晶晶界上開始出現位錯的發射行為，這一發射行為在整個晶界網路中擴展，使得整個亞微米晶晶界網路在不同位置出現間斷位錯發射。在這一位錯行為的主導階段，短時間內位錯密度快速上升，塑性變形在晶粒之間擴展，材料的硬化率下降至與粗晶純鋁穩態塑性變形相近的水平。基於位錯密度變化速度的顯著差異，這兩個階段的分界應力水平被確定為140MPa。與粗晶純鋁相比，亞微米晶純鋁高硬化率維持時間更長，這是因為亞微米晶純鋁中變形行為在早期主要由晶界控制，而粗晶純鋁在晶界產生位錯後，很快轉化到由晶內位錯互動行為控制的變形行為中去，對應變相對較小。此外，該材料退火強化現象與退火帶來的晶內離散位錯密度下降及晶界結構弛豫有關，離散位錯密度下降降低了晶界附近因離散位錯運動後塞積產生的應力集中，晶界結構弛豫提高了晶界處位錯發射所需臨界應力，兩者共同作用提高了晶界處位錯發射行為所需的應力水平，巨觀上表現為退火後材料強度的提高。這些結果深化了對亞微米晶材料變形機制的理解，為基於晶界性能調控的亞微米晶材料增塑研究提供幫助。 本項目支持下，同時開展了MD下位錯派納模型和多晶晶體塑性有限元方法的研究，分別研究了位錯核心結構與位錯運動臨界驅動力的關係以及晶界和晶粒取向對材料塑性變形的影響，從微觀與巨觀兩個角度為本項目研究材料的多尺度模擬建立了基礎。
