《BCC超細/納米晶金屬動態局部剪下行為的溫度效應》是依託中國科學院力學研究所，由袁福平擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：BCC超細/納米晶金屬動態局部剪下行為的溫度效應
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：袁福平
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
BCC超細晶(UFG)/納米晶(NC)金屬跟粗晶相比強度顯著提高，但塑性較低，一個主要原因就是局部剪下失穩。因此充分了解該類材料的局部剪下失穩機制，特別是認識溫度對於動態局部剪下行為的影響機理，探索可能的強韌化機制就具有重要的實際意義，也能為該類材料在不同溫度環境下的套用提供有益的理論依據。本項目擬以UFG/NC?Fe作為研究材料，探討不同溫度條件下的局部剪下失穩機制，以及這些微觀機制和材料的強度、塑性之間的關係法則。具體研究內容包括：揭示UFG/NC?Fe的巨觀力學行為隨溫度、晶粒尺寸的變化規律；認識和理解液氮動態變形下變形孿晶的尺寸、比例和動態塑性變形大小的關係，以及變形孿晶和納米晶粒組成的混合結構對局部剪下行為的影響機理；認識和理解不同的高溫環境和載入方式對晶粒局部長大的影響規律，以及納米晶粒和微米量級晶粒混合結構對局部剪下行為的影響機理。研究結果可為這類材料的廣泛套用提供理論基礎。
結題摘要
單一納米結構金屬雖然具有很高的強度，但是其韌性往往較差，特別是在動態條件下容易導致局部剪下失穩，很難具有較好的強韌綜合性能，從而限制了其工業套用。因此充分了解該類材料的局部剪下失穩機制，特別是認識溫度對於動態局部剪下行為的影響機理，通過多級納米結構設計探索可能的強韌化機制就具有重要的實際意義。項目執行人通過控制應變的動/靜態試驗、微結構觀察手段以及分子動力學模擬，闡明了幾種典型多級納米結構金屬在不同應變率下的微結構演化規律、強韌化機制及其尺度效應的原子層次機理，提出了最佳化綜合性能的策略，為納米結構金屬的廣泛套用提供了理論依據。主要研究成果包括：(1) 闡明了納米晶鐵中絕熱剪下帶的演化規律，剪下帶的演化包含nucleation和thickening兩個階段，剪下帶的寬度、剪下帶內的硬度都隨著剪下變形的增加而增加，TEM工作也表明剪下帶內的晶粒進一步細化，另外合適的退火條件能夠形成晶粒尺寸的雙峰分布(Bimodal)，抑制了納米晶鐵中剪下帶的產生和擴展從而提高其動態斷裂韌性；(2) 揭示了嚴重塑性變形條件下奧氏體/鐵素體雙相鋼的微結構演化規律及其應變硬化行為，另外研究發現通過嚴重塑性變形加上後續的合適溫度下的退火，能夠獲得良好的強韌綜合性能；(3) 闡明了納米孿晶金屬衝擊回響和層裂強度的尺度效應以及微空洞形核機理，研究發現納米孿晶多晶銅的層裂強度和孿晶片距無關，這主要歸因於其空洞都是從晶界處形核並沿晶界擴展，層裂行為與晶內的位錯行為無關，而對於納米孿晶單晶銅，其層裂強度卻隨著孿晶片距的減小而增大，這主要歸因於其不同的空洞形核機理(由孿晶界發射偏位錯，從而在孿晶界和偏位錯的交接處形成空洞)，孿晶片距越小，單位面積的孿晶界數目就越多，層裂過程中同時形成的空洞數目就越多，層裂過程中所需的拉應力就越高；(4) 闡明了多級納米孿晶金屬的形成機理、強度的尺度效應及其變形機理；(5) 揭示了多級納米孿晶金屬斷裂的原子層次機理；(6) 揭示了納米尺度壓頭淺壓痕測量硬度的晶粒尺度效應及其變形機理；(7) 利用有限元和量綱分析，建立了納米梯度結構材料的球形接觸模型。研究結果為納米結構金屬的強韌綜合性能設計提供了理論依據，也為設計超高應變率衝擊條件下的高強高韌防護金屬材料提供了有益的思路。
