面心立方金屬靜力韌性的內外尺度效應研究

《面心立方金屬靜力韌性的內外尺度效應研究》是依託西安交通大學，由韓衛忠擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面心立方金屬靜力韌性的內外尺度效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：韓衛忠
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

晶粒尺寸和樣品尺度對金屬材料的強度、塑性和韌性有重要影響。本項目擬採用實驗和建模相結合的方法，選取各向同性強化的銅和隨動強化的鋁銅合金，研究其拉伸靜力韌性隨晶粒尺寸和樣品尺度的演化行為。通過研究銅和鋁銅合金的靜力韌性隨晶粒尺寸（100納米到200微米）的變化，揭示最佳韌性對應的晶粒尺度。通過原位微納尺度拉伸實驗，研究含多個晶界的銅和沉澱強化鋁銅合金的靜力韌性隨樣品尺度（100納米到10微米）的變化，揭示最佳韌性對應的樣品尺度。為實現小尺度樣品中的位錯存儲、加工硬化和穩態變形，研究中將引入多個晶界或非剪下沉澱相顆粒。原位研究能揭示位錯與晶界或沉澱相的動態互動作用機理，有助於深入理解金屬材料的內外尺度效應及其相互關係。基於實驗研究，並結合Kock-Mecking等物理模型和進一步理論創新，建立描述典型面心立方金屬材料拉伸靜力韌性內外尺度效應的新物理模型，為設計高韌性金屬結構材料提供指導。

結題摘要

本項目針對微納尺度金屬材料變形的弱點，如應變突跳頻繁、無加工硬化能力和無均勻變形能力，提出以面心立方金屬為模型材料，研究其力學性能的內外尺度效應，發展新型調控方法。採用各向同性強化的銅和隨動強化的鋁合金作為研究對象，研究其在拉伸過程中的樣品外觀尺度和內部缺陷尺寸對力學行為的影響。本項目先後闡明了納米氦泡對微納尺度銅單晶的塑性變形機理的影響，發現納米氦泡可以改善單晶銅的塑性變形能力，揭示了銅中納米氦泡可以作為活躍的內部位錯源，研究了納米氦泡和位錯或孿生的互動作用方式，發現了氦泡分裂新型微觀損傷機制，提出運用納米氦泡調控微納尺寸形狀記憶合金的超彈性性能的新方法。研究了含第二相的鋁銅合金的原位拉伸和壓縮變形機制，發現超薄表面氧化膜和第二相可以顯著提高微納尺度材料的變形穩定性、改善位錯存儲能力並提高加工硬化能力；運用位錯理論和Kock-Mecking加工硬化理論等模型對微納尺度面心立方金屬的屈服強度、加工硬化行為和靜力韌性進行了系統分析，揭示了內外關鍵結構尺寸對其力學性能的影響機理；發展了運用電子束輻照改善微納尺度鋁合金表面氧化膜的塑性流變來調控其塑性變形能力的方法，為微納尺度材料塑性加工提供了新思路；通過球形樣品的設計，觀察到了微納尺度樣品從越小越強到應力平台的轉變，成功在實驗上測定了純鐵的理想強度。 在項目的資助下，先後在Nano Letters(2)、Physical Review Letters(1)、Advanced Materials(1)、Acta Materialia(4)等期刊發表SCI論文12篇，申請專利6件，獲得授權2件，先後受邀在美國MRS、美國TMS、中國材料大會、新材料發展趨勢高層論壇、全國電鏡大會、全國聚變堆材料會議等重要國內外會議做邀請報告10多次，並在美國2017年MRS春季會議舉辦高性能金屬材料分會，受邀在國家自然科學基金委主辦的SCIENCE FOUDATION IN CHINA介紹研究成果，研究工作也多次被基金要聞、材料人、西交大主頁等媒體和網站進行報導。相關論文已獲得同行的積極引用（＞80次）並被知名海外教授在近期的綜述論文和研究報告中廣泛推薦。