纳米孪晶和梯度纳米结构金属强韧特性研究进展

金属材料在航空、航天工业以及民用工业等领域具有广泛的应用,如何获取同时具备高强度和良好塑性的金属材料一直是材料、物理、力学等不同学科长期以来亟待解决的难题.传统的强化方法包括应变强化、固溶强化、相变强化、晶粒细化强化和第二相弥散强化等,均会使材料的韧性或塑性降低.近年来,实验研究发现通过界面设计和微结构调控来可以制备出高强高韧的金属材料,认为位错与各类界面的相互作用、以及微结构优化对应力集中的削弱是材料强化和韧化的主要原因.根据已有实验观察,人们通过原子尺度方法定量分析高强高韧金属材料的变形机理,揭示其强化和韧化机制;同时,发展出基于变形机理的理论模型和有限元方法定量描述高强高韧金属的力学行为.论文将重点介绍纳米孪晶金属和梯度纳米结构金属的强韧特性研究进展,并对新型纳米结构金属材料的强韧特性优化进行展望.     

金属非晶的强度和变形特性

金属非晶发展至今已有多种体系并可实现厘米量级的块体制备,其各种性能也都有了广泛的研究。本文主要介绍金属非晶的单轴拉伸、单轴压缩、微柱压缩、薄板弯曲、拉伸-扭转等物理力学特性及关于其变形的理论分析。文章涵盖了金属非晶的以下一些力学特性：金属非晶的弹性模量和其溶剂金属的相近性―金属非晶通常具有2% 左右的弹性应变极限,对应着GPa量级的高失效强度;金属非晶单轴拉伸、压缩时的宏观塑性特征及塑性变形的典型机制;金属非晶微观上的短程与中程原子团簇结构特点及其与非晶塑性的关联;金属非晶塑性屈服与静水压力的相关性,拉扭组合时呈现的螺旋断口特征,以及Mohr-Coulomb本构模型对这些屈服特征的适用性。最后,作者也介绍了金属非晶塑性变形的微观物理模型及连续介质力学本构,以及金属非晶的断裂与疲劳特性。     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

镁合金塑性机制研究综述

纯镁具有丰富的微观塑性机制,尤其是孪晶,导致其塑性变形错综复杂,力学性能也与常见的面心及体心立方金属有显著差异.由于现今学界对位错滑移与孪晶变形等塑性机制缺乏充分认识,镁合金性能调控效果尚不理想,与铝合金相比,镁合金的力学性能还有很大的提升空间.基于此背景,论文首先回顾了镁合金的发展历史与应用现状.然后介绍了镁中位错滑移与孪晶变形等塑性机制的研究进展,重点阐述位错、孪晶、晶界、析出相、溶质原子等重要的微结构,并简要介绍了计算机模拟方法,最后展望了强韧性能方面值得重视的若干研究方向.     

含冷却孔镍基合金次级取向效应的应变梯度晶体塑性有限元研究

单晶镍基合金具有优异的耐高温、高强、高韧等性能, 这些力学性能受制造过程引入的次级取向和冷却孔的影响. 已有研究大多关注单孔薄板的变形机理和力学性能, 而工程中应用的往往是多孔薄板, 当前亟需阐明多孔的塑性滑移带变形机理、次级取向效应以及冷却孔引起的应变梯度效应. 文章采用基于位错机制的非局部晶体塑性本构模型对含冷却孔镍基单晶薄板的单拉变形进行了数值模拟. 此模型基于塑性滑移梯度与几何必需位错的关系引入了位错流动项, 因此可有效刻画非均匀变形过程中的应变梯度效应. 为了全面揭示含孔镍基薄板的次级取向效应, 系统研究了[100]和[110]取向(两种次级取向)下镍基薄板的单拉变形行为, 并重点探究了在两种次级取向下冷却孔数量对薄板塑性行为的影响. 此外, 还分析了镍基合金板变形过程中各个滑移系上分切应力变化、主导滑移系开动以及几何必需位错密度的演化过程, 并讨论了塑性滑移量及其分布特征对不同次级取向镍基合金板强度的影响. 研究表明, 单孔和多孔的[110]薄板抗拉强度均低于[100]薄板, 多孔薄板的塑性变形过程比单孔薄板更为复杂且受次级取向影响更大, 并且发生滑移梯度位置主要位于冷却孔附近以及塑性滑移带区域. 研究结果可为工程中镍基合金的设计和服役提供理论指导.      

SPD纳米材料制备方法及其力学特性

剧烈塑性变形(severe plastic deformation, SPD)纳米化技术是近年来发展的一种力致材料纳米化方法.该方法克服了由粉体压合法带来的残余空隙、球磨法带来的杂质等不足,并且适用于不同形状尺寸的金属、合金、金属间化合物等,因此受到了越来越多的关注.介绍了SPD纳米材料的制备方法及相关纳米材料力学性能研究的现状,并展望了对SPD力致纳米材料的研究趋势.      

纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴 进行界定，然后介绍纳米力学方法，包括属于纳观计算力学范畴的大规 模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法 和LMPM方法；及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即 阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂 力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料,孔洞突出的表面效应,使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能.相对于理论和分子动力学仿真,有限元方法更适用于复杂结构模型,但受限于理论难度,以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构,因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能.为此,基于Gurtin-Murdoch表面理论,成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元,并考虑微观结构非均匀性,发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型,将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析,验证了所构建有限元模型的有效性.通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟,揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律.结果表明:所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布,相对于表面拉梅常数,纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向.所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.     

新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制

“纳米结构” 化是金属及其合金材料获得优异力学性能的有效途径.纳米结构金属材料表面或内部的缺陷, 包括晶界、位错、孪晶、孔洞、裂纹、第二相等, 其形核、演化及互相作用对材料的强度和韧性具有重要影响. 该文综述了与上述科学问题相关的新型纳米结构金属材料的微观组织结构表征及力学性能测试、强韧化机制计算模拟方面的研究进展. 并讨论了急需从微观尺度上就新型纳米结构金属材料的特征力学行为和关键变形机制开展深入、系统研究.      

纳晶金属的力学行为

纳晶金属特指晶粒尺寸在($1 \sim100)$\,nm块体金属材料,其在力、热、声、电、磁等方面有着潜在应用,对它的制备、表征和模拟是材料科学及相关领域的重要前沿.由于纳晶金属结构简单,影响性能的因素相对单一,因而对结构与性能之间关系的理论研究具有深刻的意义.纳晶金属三维细观拓扑结构与常规多晶体类似,但由于晶粒尺寸减小,晶界原子体积比增加,因此呈现出与粗晶金属不同的性质,并且当微观物理过程的特征尺度大于晶粒尺寸时,与其对应的性质也将受到晶粒或者晶界的调制作用.本文从制备、力学性能和塑性变形机制3个方面介绍了纳晶金属力学的部分最新进展,并讨论了结构特征与力学性能之间的关系.      

Achieving high strength and high ductility in nanostructured metals: Experiment and modelling

Engineering nanostructures in metallic materials such as nanograins and nanotwins can promote plastic performance significantly. Nano/ultrafine-grained metals embedded in coarse grains called bimodal metals and nanotwinned polycrystalline metals have been proved to possess extensively improved yield strength whilst keeping good ductility. This paper will present an experimental study on nanostructured stainless steel prepared by surface mechanical attrition treatment (SMAT) with surface impacts of lower strain rate (10 s^?1–10³ s^?1) and higher strain rate (10⁴ s^?1–10⁵ s^?1). Microstructure transition has been observed from the original γ-austenite coarse grains to α′-martensite nanograins with bimodal grain size distribution for lower strain rates to nanotwins in the ultrafine/coarse grained austenite phase for higher strain rates. Meanwhile, we will further address the mechanism-based plastic models to describe the yield strength, strain hardening and ductility in nanostructured metals with bimodal grain size distribution and nanotwinned polycrystalline metals. The proposed theoretical models can comprehensively describe the plastic deformation in these two kinds of nanostructured metals and excellent agreement is achieved between the numerical and experimental results. These models can be utilized to optimize the strength and ductility in nanostructured metals by controlling the size and distribution of nanostructures.     

Using intensive plastic deformations for manufacturing bulk nanostructure metallic materials

The results of studies concerned with new trabds in the development of intensive plastic deformation methods for manufacturing nanostructure metals and alloys are presented. Much attention is paid to the mechanical properties of bulk nanomaterials. Keywords: intensive plastic deformation, nanostructure material, gain boundary, mechanical property, microstructure, segregation.     

Plastic deformation localization in commercial Zr-base alloys

The issues concerning the localization of plastic deformation in commercial Zr alloys used in the nuclear power industry are addressed. The possible types of deformation localization pictures corresponding with the respective stages of plastic flow are described. These are shown to be various kinds of self-excited wave processes of plastic flow. The dislocation structure of the material occurring within and in between the nuclei of localized deformation is investigated. The use of the self-excited wave patterns of plastic flow localization as an additional source of information on the mechanical properties of metals and alloys is substantiated.