表面梯度納米晶結構材料強韌化研究

《表面梯度納米晶結構材料強韌化研究》是依託南京理工大學，由李玉勝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：表面梯度納米晶結構材料強韌化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李玉勝
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

納米晶金屬材料的高強度倍受關注，但其低塑性限制了其作為結構材料的大規模套用。已有研究結果表明表面梯度納米晶（S-GNG）結構材料同時具有高的強度與塑性。本項目利用RASP技術在多種金屬表面引入S-GNG結構，通過設計不同的S-GNG結構並測試其性能，明確S-GNG結構與材料強韌性之間的關係，並揭示其影響機理。結合計算模擬分析，提供不同材料最佳S-GNG結構模型，為S-GNG結構材料的套用開發提供理論依據。通過合金化降低材料層錯能，在表面引入S-GNG結構，測試不同層錯能材料S-GNG結構的塑性，分析層錯能對S-GNG結構材料強韌化的影響。通過後續熱處理在S-GNG結構材料中獲得獨特的三維尺度呈梯度+Bimodal的結構，測試此類結構的力學性能，闡明其強韌化機理。本項目對S-GNG結構材料強韌化機理的研究，將會推動S-GNG結構材料在航空航天、汽車製造等領域的套用。

結題摘要

表面梯度納米晶（S-GNG）結構材料由於其具有高的強度塑性匹配而備受關注。本項目主要致力於S-GNG材料的製備、微觀結構表征和力學性能測試。開發出具有獨立智慧財產權的S-GNG結構材料製備技術旋轉加速噴丸裝備（RASP）和壓電式表面納米化裝置（PSNC）。成功地在純銅、純鈦、5052鋁合金和316L不鏽鋼等金屬材料引入S-GNG結構，研究不同材料S-GNG結構形成機理，並研究不同S-GNG結構材料的力學性能。結果表明，RASP處理後的純銅梯度層深度約為800微米，最表面納米晶粒平均尺寸為30納米。納米晶的形成機理主要分為兩個階段：首先是位錯機制形成100納米左右的超細晶粒。其次在超細晶粒內部由晶界發射不全位錯形成高密度的納米孿晶，並對納米晶粒進一步切割細化晶粒，並最終在純銅最表面形成納米晶粒，該晶粒細化機制在先前的文獻中鮮有報導。通過控制處理參數，在純銅材料表層獲得了不同深度和比例的S-GNG結構，拉伸試驗結果表明S-GNG結構純銅的拉伸強度明顯提高，同時保持了良好的塑性。通過模擬和實驗給出了最佳S-GNG結構模型。對S-GNG結構純銅進行後續的退火處理，發現純銅的強度得以明顯提升，同時保持延伸率基本不變。微觀結構觀察表明材料組織內的位錯回復更好地協調了不同晶粒之間的變形，從而提高材料的強度。此外，本項目以RASP純銅、高壓扭轉銅鋅合金和液氮溫度軋制純鈦為對象，研究了不同材料的孿生行為。發現了純銅在高應變速率下的孿生形成以及退孿生現象，並建立了相關模型。對高壓扭轉銅鋅合金中不同晶粒尺寸中的孿晶片層厚度進行了研究，發現晶粒尺寸在20~300納米之間時，晶粒內部均有孿生形成。而當晶粒尺寸小於20納米，晶粒內部只有層錯，沒有孿生形成。和室溫軋制純鈦樣品相比，液氮溫度軋制純鈦樣品中有更高密度的孿生和更多的孿生變體。一次孿生、二次孿生和三次孿生變體類型遵循“拉伸-壓縮-拉伸”或“壓縮-拉伸-壓縮”順序，後續孿生變體類型的產生被證明符合斯密特定律。獲得2項實用新型專利，申請3項發明專利。發表（含接收）論文5篇，其中SCI4篇。