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.      

梯度纳米结构金属力学性能、变形机理和多尺度计算研究进展

近年来,梯度纳米结构金属因其优越的力学性能和独特的塑性变形机理受到广泛关注,已成为材料与力学学科的热点和前沿.论文首先介绍梯度纳米结构金属的强度、塑性、加工硬化和抗疲劳等核心力学性能,以及晶粒长大、塑性应变梯度和几何必需位错等塑性变形机理及其力学研究.其次介绍梯度纳米结构金属的多尺度计算与模拟研究.最后讨论梯度纳米结构金属研究领域存在的挑战.     

纳米固体材料的物理力学问题

纳米固体材料是由粒度为5—15纳米(nm)的粒子在保持清洁表面的条件下经高压(一般为5GPa)成型的固体材料.这种材料具有新型固体结构和优异的性能.本文提出纳米固体材料制备和性能研究中的物理力学问题.这些问题包括纳米粒子的粒度和分布;压强,密度和状态方程;界面弹性性能和原子间势;扩散塑性和陶瓷增韧;变形和强度以及吸波性.      

金属材料的强韧化

本文主要综述了金属材料的传统强化手段,包括固溶强化、析出强化、相变强化和细晶强化等,但传统强化手段大都以牺牲塑性为代价.非均匀异构金属由于应变梯度效应和背应力硬化能够实现强韧化,成为目前金属结构材料研究的热点.本文对异构金属进行简单的介绍,对金属材料的发展进行了讨论与展望.     

纳米力学进展(续)

概述2002年度在纳米力学方面的若干新进展.在纳观计算力学方面,讨论了在微结构质流演化算法、纳米结构中应变的量子效应算法、LMPM并行算法等方面的进展.在纳观实验力学范畴,着重介绍了立体刻蚀的微加载系统.然后,我们展述了在纳米晶体力学、纳米管力学和纳米压痕力学等方面的新进展.      

高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展

高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备.高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞.在微观尺度以及宏观尺度,理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法.建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题.最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法(第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型),研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制.论文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望.     

轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展

如何在现有的材料和结构基础上减轻重量并获得更优良的力学性能是材料和力学工作者面临的挑战.概述了国内外轻质点阵金属材料的主要制备技术,评价了点阵金属三明治板的关键焊接技术,并根据各类点阵金属材料的微结构特征分析了其静态力学性能.针对点阵金属材料力学性能强化的关键点进行了系统分析,总结和阐述了点阵金属材料强化研究的关键进展,讨论并展望了轻质材料和结构的研究发展趋势.      

纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力

为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力.建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层l μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371±89 Mpa.该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性.     

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性,是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是,钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为,比如,屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性,断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应,等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化,形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化,揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应,从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果;最后,对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

纳米复相陶瓷及其摩擦学研究进展

介绍了纳米复相陶瓷的结构和分类、制备方法和力学性能以及纳米复相陶瓷的强韧化机理,评述了纳米复相陶瓷的摩擦学研究进展,分析了影响纳米复相陶瓷摩擦磨损性能的主要因素,指出当前纳米复相陶瓷摩擦学研究领域存在的问题及有待于研究的课题.     

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.     

高熵合金的力学性能及变形行为研究进展

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元特性使其在变形过程中表现出多重机制(包括位错机制、形变孪生、相变等)的协同,因而高熵合金已经展示了优异的力学性能,如高强、高硬、高塑性、抗高温软化、抗辐照、耐磨等,被认为是最具有应用潜力的新型高性能金属结构材料,已经成为国际固体力学和材料科学领域研究的热点.本文首先介绍了高熵合金独特的结构特征,即具有短程有序结构和严重的晶格畸变;随后对近年来针对不同类型高熵合金(包括具有面心立方相、体心立方相、密排六方相、多相以及亚稳态高熵合金)力学性能、变形行为方面的研究成果,特别是强韧化机制以及相关的原子尺度模拟,进行了较为系统的综述;最后强调了高熵合金未来研究中所面临的一些主要问题和挑战,并对其研究进行了展望.     

预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响

金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一. 为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律, 及其微观机理, 本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律. 结果表明, 辐照剂量越高, 预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高, 导致屈服强度和极限拉伸强度越高, 均匀延伸率和失稳应变越小, 表现出典型的辐照硬化和脆化效应, 但失稳应力与辐照剂量几乎无关. 相同辐照剂量条件下, 预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度, 加之辐照退火效应的综合影响, 导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率, 从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力, 预应变还能够提高高纯铝的失稳应力, 但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性. 最后, 基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料, 且模型预测结果与实验结果吻合较好.      

Micromechanical simulation on strength and ductility of two kinds of Al-based nanostructural materials

The nanostructured Al-based composites possess the combination of high yield strength and good ductility. In this paper, a micromechanical model is presented to simulate the mechanical response of bimodal nanostructured Al and the particle-reinforced aluminum matrix composite(PAMC). The constitutive relations for different phases are addressed in the model, as well as the contribution of microcracks. Numerical results show that the model can successfully describe the enhanced strength and ductility of the bimodal nanostructured Al, and the predictions of the PAMC are in good agreement with the experimental data. It is worth noting that the strength and ductility are sensitive to the volume fraction of constituents and the distribution of microcracks in both bimodal nanostructured Al and PAMC. Therefore, the present theoretical results can be used to optimize the microstructure for improving the mechanical properties of nanostructured Al-based composites.     

Evaluation of the stress–strain curve of metallic materials by spherical indentation

A method for deducing the stress–strain uniaxial properties of metallic materials from instrumented spherical indentation is presented along with an experimental verification.An extensive finite element parametric analysis of the spherical indentation was performed in order to generate a database of load vs. depth of penetration curves for classes of materials selected in order to represent the metals commonly employed in structural applications. The stress–strain curves of the materials were represented with three parameters: the Young modulus for the elastic regime, the stress of proportionality limit and the strain-hardening coefficient for the elastic–plastic regime.The indentation curves simulated by the finite element analyses were fitted in order to obtain a continuous function which can produce accurate load vs. depth curves for any combination of the constitutive elastic–plastic parameters. On the basis of this continuous function, an optimization algorithm was then employed to deduce the material elastic–plastic parameters and the related stress–strain curve when the measured load vs. depth curve is available by an instrumented spherical indentation test.The proposed method was verified by comparing the predicted stress–strain curves with those directly measured for several metallic alloys having different mechanical properties.This result confirms the possibility to deduce the complete stress–strain curve of a metal alloy with good accuracy by a properly conducted instrumented spherical indentation test and a suitable interpretation technique of the measured quantities.     

金属型含能材料力学行为研究进展

含能材料是一种在高温/高压作用下能够发生化学反应,并释放大量能量的新型材料。金属型含能材料作为其中一类,因密度大、强度高、稳定性好等优异性能,成为了现代武器装备中关注的重点材料之一,在破片战斗部等军事领域有着广泛的应用潜力。其中,材料的力学性能直接影响武器装备对目标的侵彻能力,决定着对目标的最终毁伤威力,一直是武器装备应用中关注的关键参数之一。为实现金属型含能材料高穿甲能力并保证高释能特性,研究人员对其力学性能开展了大量研究。本文中,对金属型含能材料力学行为的研究现状进行了综述,包括简单介绍金属型含能材料的制备工艺和力学性能测试系统,详细梳理金属型含能材料力学性能研究、微观分析及理论研究等4个方面的研究进展。总结认为,目前对金属型含能材料力学性能的研究已经有了一些成果,但是缺乏其他复杂环境条件以及其他关键工艺对其力学性能影响的研究,同时缺少材料微观性能对其力学性能的影响以及微观行为和宏观行为之间关联机制的研究,并且尚未建立能够准确反映材料在热、力、率等复杂条件下的力学理论模型。因此,制备性能优异的金属型含能材料、开展复杂条件下金属型含能材料力学性能研究、探索微观行为与宏观行为之间的关联机制,以及建立和完善材料本构模型等研究内容,将是推动金属型含能材料工程应用的重点。