三类镍单晶纳米材料的力学行为与性能

基于镶嵌原子势采用分子动力学方法研究了纳米镍单晶一维纳米丝、二维纳米薄膜和三维纳米固体的拉伸变形破坏过程和力学行为与性能,分析了3类典型纳米金属材料的本征应力、初始能量状态和变形机制以及破坏过程中的能量和应力变化,讨论了自由表面对纳米金属材料力学行为和性能的影响。模拟得到镍单晶纳米丝、薄膜和三维固体的弹性模量分别为145.45、186.6和122.03 GPa;断裂强度分别为22.293、21.08和19.98GPa;纳米丝和固体的破坏中出现短暂屈服,屈服强度分别为14.451和13.67 GPa,纳米薄膜的断裂无屈服。     

电沉积微纳米镍的组织结构与力学性能

在氨基磺酸镍体系的镀液中通过直流、脉冲电沉积分别制备了不同晶粒尺寸的块体镍.通过室温单向拉伸实验比较了这些镍的力学性能. 结果表明:拓宽电沉积纳米镍的晶粒尺寸分布可显著提高其塑性,同时,保留较高的强度.所制备的具有宽晶粒尺寸分布(5～120 nm)的平均晶粒尺寸为27.2 nm的纳米镍,抗拉强度为1162～1211 MPa,断裂伸长率为10.4%～11.4%.与平均晶粒尺寸为22.4nm的窄晶粒尺寸分布(5～60 nm)的纳米镍相比,抗拉强度降低约200 MPa,但断裂伸长率提高了3.4%.通过对纳米镍微观组织的TEM观察,揭示了宽晶粒尺寸分布纳米镍中塑性的显著提高源于塑性变形中大晶粒(100 nm以上)内存在类似传统粗晶材料中的晶内位错滑移.     

纳米级铱单晶不同温度拉伸的分子动力学解析

针对面心立方金属铱单晶独特的韧脆变形特征,采用分子动力学方法研究了纳观尺度下的铱单晶在不同温度下的拉伸变形行为。通过分析不同温度拉伸过程中的应力应变关系,势能变化和原子构型图,认为随着温度的上升,纳米级铱单晶沿[100]晶向的弹性模量逐渐下降,抗拉强度也逐渐降低。温度为300 K时拉伸变形过程中在晶体内仅有少量空位和位错产生,600和800 K拉伸变形过程中在晶体内有滑移,位错和空位产生。     

单晶镍纳米薄膜单向拉伸破坏的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了单晶镍纳米薄膜受单向拉伸破坏的过程, 得出纳米尺度单晶镍薄膜的应力-应变关系、能量演化曲线和镍薄膜构型的变化及微损伤的形成和扩展过程. 模拟采用原子镶嵌势描述原子间作用, 得到镍单晶薄膜的弹性模量, 分析了拉伸过程中系统原子能量、应力变化和外荷载的关系. 结果表明: 纳米薄膜的自由表面影响拉伸过程中原子的运动和薄膜整体力学性能, 纳米薄膜破坏的几何特征是原子空位的连接和晶胞缺陷的扩展; 单晶的断裂接近脆性断裂, 模拟得到纳米薄膜的断裂强度符合Griffith脆性断裂的能量平衡理论.     

石墨烯纳米片增强镁基复合材料力学性能及增强机制

采用分子动力学方法(MD)对单层石墨烯纳米片(GNPs)与单面及双面Ni包覆单层GNP (Ni-GNP、NiGNP-Ni)增强镁基复合材料(GNP/Mg、Ni-GNP/Mg、Ni-GNP-Ni/Mg)在单轴拉伸作用下的力学性能进行了研究,并与含有空位缺陷的双面Ni包覆单层GNP (Ni-defected GNP-Ni)及双面Ni包覆多层GNPs (Ni-n GNPs-Ni)增强镁基复合材料(Ni-defected GNP-Ni/Mg、Ni-n GNPs-Ni/Mg (n为GPNs层数))拉伸性能进行了对比。研究结果表明:GNPs的加入可以显著增强镁基复合材料的力学性能,与单晶Mg相比,GNP/Mg纳米复合材料在300 K及应变速率为1×10~9 s~(-1)时的拉伸强度和弹性模量分别提高了32.60%和37.91%,而Ni-GNP-Ni/Mg的拉伸强度和弹性模量分别提高了46.79%和54.53%;此外,Ni-defected GNP-Ni/Mg复合材料的弹性模量和拉伸强度较GNP/Mg有较大的提高,但其断裂应变提高的幅度较小;而Ni-GNP/Mg复合材料的拉伸强度和断裂应变较GNP/Mg有较大的提高,但其弹性模量提高的幅度较小。Ni-GNP-Ni/Mg基复合材料的弹性模量、拉伸强度和断裂应变随着温度的升高而降低,表现出了温度软化效应,但复合材料弹性模量的变化对温度不敏感。随着Ni-n GNPsNi中n的增加,即增强体体积分数增大时,复合材料弹性模量、拉伸强度及断裂应变均随之增大,复合材料表现出良好的综合力学性能。最后通过对原子结构演化的分析,发现Ni-GNP-Ni/Mg纳米复合材料的强化机制主要是界面强化、载荷的有效传递及位错强化。     

块体纳米晶镍的制备及力学性能研究

采用直流电弧等离子体蒸发+预压烧结法制得块体纳米晶镍。对纳米晶镍的晶粒度、孔隙率进行了表征,对其压缩强度、应变速率敏感性及压缩对晶格畸变、晶粒尺寸的影响进行了研究。结果表明,纳米晶镍的晶粒尺寸随烧结温度的升高而增大,725℃烧结时块材相对致密度达97%。压缩强度随晶粒尺寸减小而增大,且与压缩速率成正比;最大抗压断裂强度达到600MPa,表现出较低的加工硬化和良好的塑性压缩形变能力,断口为沿晶断裂;压缩会引起晶格畸变量的减小和晶粒的细化。     

电沉积宽晶粒尺寸分布纳米镍的本征拉伸行为

通过直流电沉积制备平均晶粒度为27.2 nm,宽晶粒尺寸分布(10~120 nm)的纳米镍(B-NC-Ni)。在B-NC-Ni的拉伸实验中,存在着两类不同的工程应力-应变曲线及宏观断口,结果表明：完整的拉伸曲线即本征曲线,具有恒应力变形阶段,宏观断口呈切断;而不完整的拉伸曲线在平台出现之前已发生断裂,主要是由于电沉积时阴极析出的H可能会使镀层形成空位和微孔两类缺陷,均会加剧变形时晶界上裂纹的形成,宏观断口呈正断。此外,实验中杂质S(0.015%, 质量分数, 下同)对B-NC-Ni的拉伸性能影响可忽略     

镍钛形状记忆合金在热压缩变形下的动态回复和动态再结晶

通过获得镍钛形状记忆合金在应变速率(0.001～1 s-1)和变形温度(600～1000℃)下的压缩真实应力—应变曲线,研究镍钛形状记忆合金在热变形下的力学行为.通过显微组织演变研究镍钛形状记忆合金的动态回复和动态再结晶,获得应变速率、变形温度和变形程度对镍钛形状记忆合金的动态回复和动态再结晶的影响规律.镍钛形状记忆合金在600℃和700℃下,动态回复和动态再结晶共存,但在其他温度下表现出完全动态再结晶.增加变形温度或降低应变速率,导致较大的等轴晶粒.变形程度对镍钛形状记忆合金的动态再结晶具有重要的影响.在镍钛形状记忆合金的动态再结晶中存在临界变形程度,当大于临界变形程度时,较大的变形程度有助于获得细小的等轴再结晶晶粒.     

电沉积宽晶粒尺寸分布纳米镍的拉伸变形组织与变形行为

选用直流电沉积制备平均晶粒尺寸为27.2 nm,宽晶粒尺寸分布(5～120 nm)的纳米镍(简称宽晶纳米镍),在室温采用拉伸应变速率(ζ)突变法测量其应变速率敏感指数(m).发现m随的减小而增加,特别在小于2×10-5s-1时,m快速增加,m在=5×10-6s-1时达到0.054,表明塑性变形过程中晶界扩散、晶界滑移很可能被激活.在室温进行循环加载-卸载拉伸测试,结果表明宽晶纳米镍晶内存储位错的能力十分有限,当拉伸应力达到1052 MPa,应变为7.8%时,晶内位错密度达到饱和.通过对拉伸断口附近的TEM观察,证实宽晶纳米镍在塑性变形过程中存在显著的类似粗晶中的晶内位错滑移.     

超细镍纳米线拉伸性能的温度和应变率相关性的分子动力学研究

基于EAM势,采用分子动力学方法对超细镍纳米线（直径分别为3．94、4．95和5．99nm）在（100）晶向的拉伸性能进行研究,并对其温度相关性和拉伸应变率相关性进行探讨。结果表明：弹性模量和屈服强度随着温度的升高而逐渐降低,并且随着拉伸应变率的增大,应力一应变曲线波动程度变大,超细镍纳米线发生断裂时的应变越来越小。在0．01K温度下,超细镍纳米线屈服强度随拉伸应变率的升高迅速降低;但在其它温度条件下,拉伸应变率对弹性模量和屈服强度的影响较小。简要分析尺寸大小对镍纳米线拉伸性能的影响。     

镍基多孔材料压缩性能的研究

镍基合金的弹性模量、弹性范围大小及在弹性范围内弹性模量的变化情况等是评价其在某些工程应用中使用价值的重要参数。使用镍基合金和造孔剂的混合粉末制备多孔性镍基合金试件,利用激光共聚焦显微镜、拉伸-压缩试验机、数据采集仪器等对试样的微观形貌、弹性模量、压缩-回弹性能等进行表征,与镍基合金实体金属相比较,结果表明:多孔性镍基合金具有更低的弹性模量,在达到相同的应变的情况下,其所受到的应力更小,并且,多孔性镍基合金材料所能达到的最大可恢复应变更大,即其弹性范围更大。     

Haynes230镍基合金拉伸DSA效应和循环硬化特性研究

基于Haynes230镍基合金760℃下的拉伸和疲劳实验结果，讨论了拉伸过程中的动态应变时效(DSA)效应以及不同应变幅值下的循环硬化特性，采用ABAQUS有限元软件对拉伸和疲劳特性进行了模拟。实验结果表明，Haynes230镍基合金在760℃拉伸过程中表现出明显的DSA效应，最大应力跌幅为3.8 MPa。在单轴疲劳过程中，材料表现出明显的循环硬化现象。采用ABAQUS有限元软件和基于热激活位错运动的指数流动准则对拉伸过程中的DSA效应进行了模拟。模拟结果与实验结果吻合很好，整个拉伸过程最大应力误差仅为3.9%,最大应力跌幅为9.3 MPa。选择Chaboche混合模型进行了应变范围0.6%和0.8%下的循环硬化模拟计算，模拟得到的前100周次内峰值应力的平均误差分别为4.3%和3.4%。     

Y含量及温度对Mg-Y合金力学各向异性的影响

采用金属型铸造及平面压缩制备了不同Y含量的变形态Mg-Y合金,研究了Y含量及温度对其力学性能的影响。结果表明,变形态Mg-Y合金沿试样径向(TD)和轴向(ED)方向进行压缩时,具有明显的力学各向异性,但随着Y含量增加以及温度升高,力学各向异性降低。室温(20℃)下,当Y含量从0增加到3.02%时,TD与ED方向的强度差由82 MPa减小到34 MPa;300℃时,Mg-3.02Y合金沿TD和ED方向压缩的应力-应变曲线几乎重合,力学各向异性趋于消失。Mg-Y合金随Y含量及温度增加,各向异性降低的主要原因是Mg-Y合金的{0002}基面织构弱化以及非基面滑移系开动。     

表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟

采用EAM势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟。研究了表面效应对原子能量、截面应力分布的影响。模拟结果表明,表面原子驰豫降低了纳米杆初始阶段的拉伸弹性模量,表面效应明显影响截面应力的发展与分布。     

电弧熔丝增材制造镍基合金性能与流动应力模型

选用了一种镍基合金焊材(CHN327)用于新型"拳头式"锻模表面层的电弧熔丝增材制造,对模具镍基表层的显微组织、力学性能及该种镍基合金的中温流变行为进行了研究。对试样进行了10次以2℃/s的加热速度加热至700℃后淬火的处理,模拟了模具服役中的温度循环,并对加热和水淬前后的显微组织变化进行了表征。采用WDW-100万能试验机在温度600～700℃和应变速率0.001～0.1 s~(-1)范围内对镍基表层试样进行了单向中温拉伸试验,研究变形温度和应变速率对CHN327合金流变应力的影响,建立了镍基合金CHN327流变应力与变形条件之间关系的数学模型。结果表明:经加热-淬火温度循坏后,"拳头式"锻模镍基表面层γ″-Ni_3Nb相含量增加,镍基表面层与铁基层的结合强度提高;镍基合金CHN327满足正应变速率敏感材料特性,基于Arrhenius模型拟合出的模型参数能较好地预测合金中温变形中的流动应力。     

极低温度超高压强下纳米多晶镍塑性变形行为与机理的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了极低温度、超高压强条件下纳米多晶镍的塑性变形行为;利用共近邻分析(Common neighbor analysis,CNA)表征了纳米多晶镍的微观结构特征及其演化过程;结合广义层错能计算,揭示了超高压强对纳米多晶镍塑性变形机理的影响.结果表明:在0～300 K范围内,纳米多晶镍的强度随着温度的降低而提高,当温度从300 K降低到1 K时,屈服强度由2.9 GPa提高到5.1 GPa;超高压强能提高纳米多晶镍滑移开动的临界分切应力,改善位错分解与增殖的能力,进而导致其屈服强度随外界压强的升高而显著提高:当压强从0 GPa升高到10 GPa时,其屈服强度提高了 44.8％.     

初始织构对AZ31镁合金孪生和织构演化的影响

为研究AZ31镁合金变形孪晶和塑性各向异性,基于率相关晶体塑性本构理论,采用有限元方法建立了具有不同初始织构的镁合金模型（包含滑移和孪生变形机制）,并引入孪晶体积分数,研究其压缩过程中织构演变、孪生和力学性能之间的关系。结果表明：晶体的塑性行为在很大程度上取决于初始织构,初始织构的差异导致了压缩行为的明显各向异性,轴向屈服强度和抗拉伸强度高,径向屈服强度和抗拉伸强度低。压缩塑性变形过程中随着变形量的增加,激活孪晶体积分数增高,且径向压缩激活孪晶体积分数越高,轴向压缩激活孪晶体积分数越低。模拟中出现明显孪晶的点与应力突变的点相吻合,当孪晶体积分数达到一定值时,应力发生突变,此时晶体取向发生显著变化,新的滑移系启动,反映了滑移和孪晶机制耦合对AZ31镁合金力学性能的影响。     

镍铝青铜高温变形的本构模型研究

利用Gleeble-1500型热力模拟机,研究镍铝青铜合金在变形温度800～950℃、应变速率0.002～5 s-1时的热变形行为.根据热压缩试验数据,绘制了不同变形条件下的镍铝青铜合金真应力-真应变曲线,通过线性回归建立了镍铝青铜合金热变形本构方程.结果表明,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的提高而增大;计算得出的平均变形激活能为313.03 kJ/mol.     

金属纤维烧结毡力学本构关系的实验研究

本文实验研究了316L不锈钢纤维烧结毡的变形能,杨氏模量,强度等力学性能与材料相对密度之间的本构关系。研究表明金属纤维烧结毡沿面内方向的拉伸断裂能和压缩变形能与相对密度分别成线性关系和幂大于1的抛物线关系。金属纤维烧结毡沿面内方向拉伸或压缩时的模量和强度与材料相对密度均成线性关系。这反映了金属纤维烧结毡受面内方向应力时结点间纤维骨架以拉伸(压缩)变形为主。     

纳米SiCp/Al复合材料的热变形行为

在Gleeble-1500D热模拟机上对纳米SiCp/Al复合材料试样进行了单向热压缩试验,研究其在变形温度为460～520℃、应变速率为0.1～5 s~(-1)条件下的高温变形行为。根据实验数据绘制出纳米SiCp/Al复合材料的真应力-真应变曲线,利用双曲正弦函数模型构建纳米SiCp/Al复合材料的应变补偿本构方程,并通过误差分析对该应变补偿本构方程的准确性进行验证。结果表明:纳米SiCp/Al复合材料的流变应力曲线均呈现出先升高至峰值随后缓慢下降的趋势,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小;在本文试验条件下纳米SiCp/Al热变形激活能的平均值为278.79 kJ/mol;通过应变补偿本构方程得到的流变应力预测值与试验值的线性相关系数为0.991,平均相对误差为2.05%。