晶粒尺寸和孪晶界间距对纳米多晶铝合金塑性变形影响的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,分别研究了晶粒尺寸和孪晶密度对纳米多晶铝合金塑性变形的影响。模拟结果表明,弛豫后的位错密度对纳米多晶Al的微观结构演变和逆Hall-Petch关系产生了重要影响。变形受晶粒大小限制,在细晶中可形成层错四面体和复杂层错结构,从而激活了晶界的辅助变形。当孪晶界间距（TBS）较大时,Shockley分位错在晶界处形核并增殖。然而,随着TBS的减小,孪晶界成为Shockley分位错的来源。孪晶界上大量的分位错形核会导致孪晶界迁移甚至消失。在塑性变形过程中还观察到形变纳米孪晶。研究结果为开发具有可调节力学性能的先进纳米多晶Al提供了理论基础。     

剧烈塑性变形对Ni-20%Fe合金显微结构和力学性能的影响

研究了剧烈塑性变形对Ni-20%Fe合金显微结构和力学性能的影响。结果表明,变形后Ni-20%Fe合金的晶粒取向发生旋转,同时伴随有晶粒长大现象。晶粒的长大是由塑形变形过程中位错密度,以及孪晶密度的改变引起的。当应变量增加时,材料的应变强化、软化现象交替出现,这主要是由位错密度的变化引起的。     

高压扭转纳米结构Al-Mg铝合金的微观结构演变和位错组态

利用透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）研究高压扭转大塑性变形纳米结构Al-Mg合金的微观结构演变和位错组态。结果表明：对尺寸小于100 nm的晶粒,晶内无位错,其晶界清晰平直;而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由几个亚晶或位错胞结构组成,其局部位错密度高达10^17 m^-2。这些位错是1/2〈110〉型60°位错,且往往以位错偶和位错环的形式出现。在高压扭转Al-Mg合金的超细晶晶粒中,用HRTEM同时观察到分别由0°纯螺型位错和60°混合位错分解产生的Shockley部分位错而形成的微孪晶和层错。这些直接证据证实,通常存在于FCC纳米晶中由晶界发射部分位错而产生孪晶和层错的变形机制,同样可以存在于超细晶FCC金属中。基于实验结果,分析了高压扭转Al-Mg合金中的局部高密度位错、位错胞、非平衡晶界、层错和孪晶等对晶粒细化的作用,提出了相应的晶粒细化机制。     

利用分子动力学研究梯度纳米孪晶Cu的微观变形机理

提出了一种新的纳米结构材料即梯度纳米孪晶界结构,并利用分子动力学方法计算了梯度纳米孪晶Cu的单轴拉伸和压痕的变形过程,分析了纳米孪晶界分布对位错机制的影响.结果表明,梯度纳米孪晶界主导的塑性变形可分为2类,不全位错主导了较厚的孪晶片层的塑性变形,较细孪晶片层的塑性变形由全位错主导.此外,提高孪晶界密度可以有效改善材料的强度和硬度.     

纳米孪晶金属塑性变形机制

本文综述了纳米孪晶金属材料的塑性变形机制.通过分析纳米孪晶二维结构变形时可启动的滑移位错类型,揭示纳米孪晶金属塑性变形的3种位错机制,即位错塞积并穿过孪晶界机制,Shockley不全位错诱导孪晶界迁移机制以及贯穿位错在孪晶片层内受限滑移机制.通过改变加载方向与孪晶界面的相对取向可实现这3类位错机制的可控转变.     

纳米面心立方金属的变形机制及影响其力学性能的因素

综述了纳米面心立方金属的变形机制随晶粒尺寸的减小而发生的变化,即变形机制由晶界处发射不全位错、形成孪晶转变为晶界滑移、晶粒转动.当变形机制为晶界处发射不全位错、形成孪晶时,存在最佳孪晶形成晶粒尺寸范围,此时的孪晶形核应力最小.另一方面,随着晶粒尺寸的减小,在变形机制发生转变的临界晶粒尺寸附近存在韧-脆断裂方式的转变.提高孪晶密度、在纳米晶材料中加入微米晶相形成双峰晶粒材料可以提高纳米晶材料的塑性,得到更好的综合机械性能.     

纳米孪晶Cu中局部剪切应变诱导的退孪生行为

对择优取向纳米孪晶结构Cu样品进行室温轧制变形.微观结构研究发现,当变形压下量为15%时,样品中出现了与轧制方向呈30o~45°方向(最大剪切应力方向)分布的退孪生带.退孪生带中孪晶片层明显粗化,孪晶界上出现大量Shockley位错.塑性变形过程中较小应变时,纳米孪晶Cu中局部退孪生机制是协调局部剪切应变的主要机制.     

电流密度对Ni-Fe纳米合金微观结构及性能的影响

通过电沉积制取大块Ni-Fe纳米合金,利用XRD、TEM、SEM等研究了Ni-Fe纳米合金(平均晶粒尺寸约20 nm)的微观结构和变形机制,用单向拉伸试验机(MTS810)测试单向拉伸性能,表明这种合金的抗拉强度近2 GPa,伸长率可达10.9%.Ni-Fe纳米合金对应变速率敏感较小,塑性变形导致了合金的晶粒长大,同时变形孪生和位错运动也起到一定作用.试验结果表明,纳米合金的塑性变形受晶界活动的影响.     

Ti-6Al-4V合金超塑性变形中的组织演变及变形机制

920℃、应变速率为1×10.3和2×10.4 s.1时,对不同初始晶粒尺寸(2.6、6.5和16.2 μm)的Ti-6Al-4V合金进行超塑性拉伸变形.采用光学显微镜、透射电镜观察变形后的显微组织.结果表明,初始晶粒尺寸的不同对超塑性变形中的组织演变及变形机制有着显著的影响.拉伸变形中晶粒明显粗化,变形诱发晶粒长大是超塑性变形组织的重要特征之一;随着变形程度的增大,应变诱发的晶粒长大显著增大,并且远大于静态长大的增幅.对于细晶粒材料(2.6和6.5 μm),位错运动协调的界面滑动是其变形的主要机制.而对于晶粒较粗的材料(16.2 μm),超塑变形机制是晶界滑动与晶内位错运动的共同作用.随着晶粒尺寸的增大,以晶界滑动为主的变形方式逐渐转向以晶内位错运动为主.     

机械合金化法制备Cu-Nb合金过程中的形变孪生特性

采用机械合金化法制备纳米Cu-10%Nb合金,通过显微硬度测量以及高分辨透射电镜观察,对该合金粉末在室温球磨过程中的微观结构演变和形变孪生特性进行研究;利用局部应力集中模型分析形变孪晶的形核机制。结果表明:随着球磨时间的增加,该合金硬度(HV)不断升高,球磨120 h后可达4.8 GPa;该合金在球磨初期以位错胞结构为主;球磨50 h后,Cu平均晶粒尺寸减小至约50 nm,部分区域出现纳米形变孪晶;继续增加球磨时间,孪晶数量增加,孪晶界强化效果显著;由于孪生将促进纳米晶粒的进一步细化,球磨120 h后,纳米晶尺寸减小到20 nm以下。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

晶粒尺寸对γ-TiAl力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-Ti Al合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-Ti Al模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-Ti Al的硬度。结果表明:当晶粒尺寸小于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9 nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-Ti Al在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

孪晶距对纳米钨力学性能影响的分子动力学模拟EI北大核心CSCD

为了研究孪晶间距的大小对纳米钨力学性能及变形机理的影响,利用分子动力学对不同孪晶间距的孪晶钨进行了单轴拉伸模拟。使用近邻列表技术(CNA)和位错分析方法(DXA)对拉伸过程中纳米钨的变形失效过程和微结构演化进行了表征分析,从而揭示孪晶间距对纳米钨力学性能影响微观机理。结果表明:孪晶钨变形过程中出现的相变、孪晶界的变形以及去孪晶化的现象会改变孪晶钨中裂纹的扩展方式,提高孪晶界的变形能力;而随着孪晶间距的减小即孪晶密度的增加,可变形的孪晶界增多,导致纳米孪晶钨的断裂应变增加。由于孪晶界中存在能量较高的相互作用的特殊三原子结构使纳米钨中更容易出现晶体缺陷,缺陷会在拉伸载荷作用下快速形成裂纹,导致晶体断裂失效,严重降低了纳米钨的屈服强度。此外,孪晶界的存在显著降低了几何必须位错的数量同时阻碍了位错的滑移运动,位错难以发射和运动,从而导致塑性变差。     

预变形AZ60镁合金低温退火过程中的组织及力学行为演变

对合金材料来说,退火之后是软化还是硬化,对后续加工工艺的制定有重要影响.为了研究挤压态AZ60镁合金在变形前后的退火力学行为,对其分别进行没有经预先塑性变形和存在预先塑性变形的175℃低温退火处理,研究塑性变形和低温退火对合金组织和力学性能的影响.结果表明:没有经预先塑性变形的挤压态AZ60镁合金,175℃退火处理对其力学性能没有明显的影响.当合金沿着挤压方向预先压缩,产生了{10(1)2}孪晶,之后再进行175℃低温退火时,第二相Al12Mg17在晶界、孪晶界以及孪晶内析出,在随后的变形中阻碍了位错运动和孪晶的长大,显著地提高了合金的屈服强度.     

含氧纳米多晶α-Ti拉伸力学性能与变形机制的分子动力学模拟

纳米纯Ti对间隙O原子具有强烈的敏感性,O含量可以很大程度上改变其力学性能和变形机制。采用分子动力学方法分别研究了O含量、变形温度、应变速率对纳米多晶α-Ti拉伸性能及变形机制的影响。结果表明,纳米多晶α-Ti的屈服应力随间隙O含量增加而升高。在O含量小于0.3%(原子分数)时,观察到变形孪晶■,该孪晶通过孪晶面上的“带状位错”协调长大;O含量大于等于0.3%时,被激活的滑移系类型向多元化转变,柱面、基面和锥面滑移系被激活,位错类型转变为以刃型位错为主。在含O纳米多晶α-Ti中,位错机制和晶界机制辅助塑性变形。晶界迁移率随变形温度和应变速率的增加明显增大。新晶粒形成过程伴随着不稳定的Ti_hcp→Ti_bcc→Ti_hcp相变,这种相变由晶粒的相对旋转所致,且生成新晶粒的数量随着应变速率的增大而增多。通过探索间隙O原子强化的本质,为优化纳米尺度纯Ti力学性能,拓展纯Ti应用范围提供理论依据。     

锆合金在应变速率1000s~(-1)下动态压缩显微组织的演化规律(英文)

研究锆合金在应变速率1000s-1动态压缩条件下的显微组织演化规律。基于相同应变速率下多次撞击的方法实现锆合金动态压缩下4个不同的应变水平。在不同的应变水平下,应力—应变曲线具有明显的应变硬化效应,几乎观察不到明显的热软化效应。标定的晶粒边界图像表明,在不同的应变水平下,在变形组织内均可观察到大量的小角晶界,同时,小角晶界的数量和密度随着应变的增加而增多。除了在晶粒边界图像中观察到的小角晶界和大角晶界外,在不同的应变水平下还可观察到孪晶界。孪晶界的类型主要包括{10 1 2}、{11 2 1}拉伸孪晶和{11 2 2}压缩孪晶,且大多数孪晶界为{10 1 2}拉伸孪晶。随着应变水平的增加,变形组织中孪晶界的密度变化不明显。基于不同应变水平下变形组织的表征,提出了动态载荷下锆合金变形和演化过程。显微硬度测试表明,撞击试样的硬度随着应变的增加而逐渐增大,这主要与位错塞积引起的应变硬化有关。     

奥氏体不锈钢321合金不同应变速率下动态再结晶分析

以奥氏体不锈钢321合金为研究对象,通过EBSD和TEM等方法,分析在950～1250℃变形温度和0. 001～1 s~(-1)应变速率条件下的不连续动态再结晶(DDRX)行为。研究结果表明:当变形温度上升后,合金中更多晶粒发生了再结晶转变的过程,同时,再结晶晶粒的尺寸也显著增大;当应变速率上升后,再结晶晶粒的数量发生了降低的现象,并且其尺寸也明显减小。在温度较高而应变速率较小的情况下,晶粒将会在三叉晶界部位发生形核,此时晶界也很容易发生迁移的现象;而在较低温度以及应变速率很大的情况下,稠密位错墙也会对再结晶形核过程造成较大影响。当真应变逐渐增大后,小角晶界随之减少,同时形成了更多大角晶界与孪晶。与传统DDRX相比可以发现,此时的孪晶在初始变形阶段出现了降低的现象。     

大应变热轧喷射成形高镁铝合金的微观结构及力学性能EI北大核心CSCD

基于常规热轧工艺对喷射成形高镁铝合金挤压坯进行单道次大应变热轧变形,采用透射电镜(TEM)、扫描电镜电子背散射成像技术(EBSD)和X衍射(XRD)方法来分析合金微观结构,并对比研究合金的力学性能。结果表明:喷射成形高镁铝合金在热轧变形过程中,随着变形程度的增大,位错密度显著增大,位错胞、非平衡小角度晶界(LAGB)及亚晶显著增多;当热轧变形80%时,高位错密度晶粒中的小角度晶界转变为大角度晶界(HAGB),亚微米级动态再结晶晶粒大量形成,晶粒组织显著细化,合金的室温拉伸强度和伸长率分别为619 MPa和19.8%。喷射成形高镁铝合金大应变热轧变形过程中的主要强化机制是细晶强化、位错强化和固溶强化,对变形80%合金屈服强度的贡献值分别为120 MPa、208 MPa和158 MPa,共占总强度值的94.4%。