超高強度金屬結構材料的相變誘發塑性機理研究

《超高強度金屬結構材料的相變誘發塑性機理研究》是依託浙江大學，由劉嘉斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超高強度金屬結構材料的相變誘發塑性機理研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：劉嘉斌
• 項目類別：面上項目

項目摘要

超高強度金屬結構材料在“兩機”、深海等尖端技術領域中具有重要套用，是國內外材料力學研究熱點之一。然而其有限的塑性變形能力嚴重地阻礙了實際工程服役。改善超高強度金屬結構材料的塑性是材料力學界共同關切的科學問題之一。本項目以相變誘發塑性為核心設計思想，以最有代表性的馬氏體相變為切入點，利用原位透射電鏡技術為研究相變誘發塑性的主要實驗手段，圍繞馬氏體相變和母相塑性變形兩大關鍵內容展開，系統研究超高強度金屬結構材料的相變誘發塑性機理。首先通過在動態相變過程中原位觀察馬氏體形核與長大方式以揭示馬氏體相變機理；並探索位錯與馬氏體的互動作用,明確母相塑性變形規律。然後基於原位實驗結果利用數字圖像處理技術獲得相變過程的應力應變場，明確馬氏體相變與母相塑性變形的應力條件。最後結合晶體學、位錯理論和細觀力學理論，建立相變誘發塑性的微觀力學機制，為超高強度金屬結構材料的韌化設計提供理論指導。

結題摘要

超高強度金屬結構材料在“兩機”、深海等尖端技術領域中具有重要套用，是國內外材料力學研究熱點之一。然而其有限的塑性變形能力嚴重地阻礙了實際工程服役。改善超高強度金屬結構材料的塑性是材料力學界共同關切的科學問題之一。本項目在國家自然科學基金資助下，開展馬氏體相變誘發塑性機理研究，全面完成了研究計畫，獲得如下創新性結果：（1）系統研究了馬氏體相變過程中馬氏體與位錯、馬氏體與晶界的互動作用方式。原位觀察了動態相變過程中馬氏體形核與長大行為，揭示了馬氏體相變機理，明確了母相塑性變形規律。（2）開展了大規模分子動力學模擬計算，明確了馬氏體相變與母相塑性變形的應力條件，建立了相變誘發塑性的微觀力學機制。（3）利用馬氏體相變在亞穩奧氏體不鏽鋼中實現強度和塑性同時提高，打破傳統強度與塑性互斥的困局，提高了不鏽鋼疲勞極限。（4）基於馬氏體與晶界互動作用實現先進結構材料的強韌化設計。構建了雙相超級納米多級結構及其本構模型，預測的力學性能與實驗結果高度吻合，基於馬氏體相變，設計了高強高韌密排六方馬氏體材料。本項目研究結果在Physical Review Letters等期刊發表了14篇SCI論文，其中影響因子大於3.0的12篇，至2019年12月共被引用142次。關於原位透射電鏡研究馬氏體相變的方法以及利用馬氏體相變實現不鏽鋼強韌化的材料設計思路與製備方法獲得日本授權發明專利1項；中國授權發明專利3項，形成包括材料設計、製備和研究方法的自主智慧財產權體系；通過與德國馬普鋼鐵所、香港城市大學合作，深入探討了馬氏體相變強韌化機理，設計了梯度組織結構，獲得900 MPa屈服強度和60%拉伸延伸率的高強高韌不鏽鋼材料。該材料作為永磁電機轉子隔板部件，已套用於大功率永磁牽引電機樣機，在世界首列時速 350公里高速列車實現裝車試運行。