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    “金属材料强韧化的多尺度结构设计与制备”重大项目取得重要进展

    日期 2010-02-01   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第2期

    (总第538期)

     

      国家自然科学基金委员会重大项目“金属材料强韧化的多尺度结构设计与制备(50890170)”年度会议近日在沈阳举行。该项目于2009年1月正式启动,以新型金属材料的强韧化机制为研究对象,试图通过层片组织、混合组织和梯度组织三种设计和制备手段来探索金属材料强韧化的新途径,并藉此理解金属强韧化的基本规律和微观机理。经过一年的研究工作,该项目在如下方面取得重要进展:

      1. 发现了纳米孪晶铜的极值强度和超高加工硬化现象。有关纳米晶体材料反常Hall-Petch关系一直是本领域的难题。本课题发现纳米孪晶铜中孪晶片厚度超过15 nm后强度下降,而加工硬化能力随着孪晶片层尺寸的减小而单调增加,并当l<10 nm时超过粗晶纯铜加工硬化系数上限。

      2. 提出了利用纳米尺度共格界面强化材料的新型强韧化机制。实验、理论分析和分子动力学模拟均表明高密度孪晶材料表现出的超高强度和高塑性起源于纳米尺度孪晶界和位错的独特相互作用。利用纳米尺度共格晶界强化材料还可以带来优异的电、热性能和很好的阻尼能力。

      3. 发现随着金属层错能的降低,变形孪晶和微观剪切带在承担严重塑性变形过程中起着越来越重要的作用,如Cu-Al合金的拉伸强度和均匀延伸率表现出同步增长趋势。

      4. 发现随着尺度的减小,金属玻璃表现出更多的稳定剪切变形量。当尺寸减小到一定程度,金属玻璃可以表现出超大的压缩塑性而不发生断裂破坏。发现含有第二相枝晶的非晶合金基复合材料在保持较高强度的同时具有明显的拉伸塑性变形。

      5. 研究了层状金属材料强韧化机理的异质界面效应,发现Cu/Cr层状材料比Cu/Au具有更好的压痕诱发的塑性变形稳定性。理论计算表明,Cu/Au中的低模量失配的透明界面两侧位错镜像力小,因而位错很容易通过,而Cu/Cr中的高模量失配的模糊界面的作用正好相反。

      6. 通过多种制备技术获得了高强度高韧性金属材料,包括动态塑性变形和搅拌磨擦加工,研究了所制备材料力学性能评价和微观结构演变。

      7.利用分子动力学方法证实了纳米孪晶界密度越高,材料断裂韧性越强,并在此基础上提出了4种重要的韧化机制:纳米孪晶界容纳位错的韧化机制,纳米孪晶界使得主裂纹发生偏转的韧化机制,二级缺陷增韧机制和弯曲孪晶界增韧机制。发展了有限温度原子/离散位错耦合多尺度材料建模与模拟方法和LDFEM--晶格动力学有限元方法,研究了晶界、表面位错形核机理,非晶中剪切带的萌生及扩展机理,裂纹沿不同界面的扩展,晶格力学失稳研究的跨尺度研究,以及锂的固溶对铝的孪晶形成能力的影响。

      到年度会议前,该项目已在Science上发表文章2篇,Acta Materialia上发表文章9篇,其他文章28篇。

      在年度会议上,重大项目学术领导小组成员T.G. Nieh教授、高华健教授和卢柯院士充分肯定了前期研究进展取得的成果,并对目前研究状态和下一步研究工作指出了不足之处,并提出了意见和建议。3位专家重点强调了材料制备的重要性,同时希望各课题之间能够加强交流合作,统一材料和思路,集中力量系统深入地开展研究工作,一方面能够在科学上实现对新型多尺度金属结构材料的认识、理解和思考,在此基础上希望为工业界对高性能结构材料设计提出指导性建议,发展高性能结构材料以求满足国家重大战略需求。

     

    (工程与材料科学部 郑雁军)




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