应变梯度塑性理论模拟晶粒尺寸对铝多晶体强度的影响

采用经典塑性理论与基于微观机制的应变梯度（MSG）塑性理论对不同晶粒尺寸铝多晶的应力-应变关系进行了模拟分析,结果表明：基于微观机制的应变梯度本构方程所得的应力-应变曲线中,随着晶粒尺寸的减小,塑性应变功明显增加．晶粒直径为20μm的应力-应变曲线稍高于经典塑性理论得到的曲线,这进一步说明随着晶粒尺寸的增大,应变梯度的贡献逐渐减小,同时计算所得的屈服强度与晶粒尺度关系拟合的直线与铝晶体的Hall-Petch直线比较吻合。     

异质梯度纳米结构金属的研究现状

强度-塑性倒置普遍存在于传统均匀或随机微观结构的金属材料,而梯度纳米结构材料由于其晶粒尺寸呈梯度变化,变形过程中不同特征尺寸的结构相互协调,使其具有优异的综合力学性能。近年来,由不同性质的非均质区域构成异质结构的设计理论、制备方法和变形机理逐步完善。本文总结了梯度结构、双峰结构、谐波结构、异质层状结构、分散纳米域和层状纳米孪晶结构等异质结构金属材料的分类及制备方法。结合梯度纳米结构金属在应力加载过程中非均匀塑性变形行为,总结其强塑性机制,包括梯度塑性、几何必须位错、机械驱动的晶粒粗化、表面残余应力和表面扰动和剪切带行为等,并讨论其未来发展所面临的挑战。     

纳米孪晶铜力学性能和尺度效应的研究

采用基于机制的应变梯度塑性的传统理论(CMSG),对具有不同尺寸的铜纳米晶粒及孪晶的应力-应变关系进行了有限元模拟.在分析中提出了孪晶薄层强化带的概念并用粘聚力模型模拟晶界的滑移和分离现象,给出了在单向拉伸条件下不同厚度孪晶薄层和不同材料参数对孪晶铜总体应力-应变关系的影响,同时也给出了晶粒中孪晶薄层取向分布对孪晶铜应力-应变关系的影响.数值模拟结果显示:随着晶粒尺寸和孪晶薄层间距的减小,应变梯度效应逐渐增强,材料强化效果越明显;孪晶薄层的取向分布对材料整体的力学性能有较大影响,并且随着晶粒及孪晶薄层间距的减小,孪晶薄层取向的影响也越来越小.最后,有限元计算结果与实验数据进行了对比分析.     

具有梯度纳米/微米晶表层的工业纯钛变形和断裂机制（英文）

通过室温表面机械碾磨处理(SMGT),获得从表面到基体具有梯度纳米/微米尺度晶粒的纯钛试样。与未处理纯钛相比,经表面机械碾磨处理(SMGT-treated)的纯钛强度有所提高,塑性介于超细晶与粗晶纯钛之间。表面机械碾磨处理纯钛的拉伸应力-应变曲线具有双加工硬化指数特性;同时,随着应变的增加,其加工硬化率逐渐减小,初始屈服阶段的变形由梯度纳米/微米晶表层主导,后期变形由粗晶心部支配。断口形貌分析表明,表面机械碾磨处理纯钛的变形机制属于韧性断裂并伴有大量韧窝。基于裂纹尖端的塑性区尺寸分析可知,梯度纳米/微米晶表层由于具有较高的加工硬化指数及强度,使韧窝尺寸比粗晶心部的更加细小。     

纳米孪晶铜尺度效应的数值模拟

为了理解电解沉积纳米孪晶铜的拉伸变形行为,采用基于机制的应变梯度塑性理论对其拉伸变形进行数值模拟研究;提出孪晶薄层强化带的概念,并采用黏聚力界面模型模拟晶界的滑移和分离现象。采用的计算模型包含晶粒尺寸、弹性模量、塑性硬化指数、初始屈服应力和孪晶薄层分布等和尺度效应相关的一系列参数。计算结果有助于理解纳米孪晶铜的力学行为。     

梯度纳米晶体材料的多尺度力学行为研究

建立晶粒尺寸梯度分布的表面纳米晶材料本构模型。运用分子动力学模拟软件,得到了梯度单晶铜试样的拉伸应力-应变曲线以及原子构型图。结果表明:计算得到的应力-应变曲线与实验数据大体一致。这种梯度结构使得材料的整体流变应力增加了10%以上。随着应变的增大,曲线会有一段隆起的部分,这与位错的形核以及晶界的限制紧密相关。当应变增加到3%、7%时,小晶粒区域先有位错运动,然后产生堆积缠绕,起到了强化作用。并且,大晶粒使得位错更易从小晶粒向大晶粒区域运动,从而抑制了小晶粒区域裂纹的形成,提高了材料的延展性。     

梯度纳晶镍拉压不对称性分子动力学研究

基于分子动力学模拟研究了在拉伸和压缩载荷下梯度纳晶镍的力学性能和微观变形机制。结果表明，梯度纳晶镍在压缩载荷下的平均流动应力大于拉伸载荷下的平均流动应力，反映出较为明显的拉压不对称性，同时拉压不对称性随着晶粒尺寸梯度的增大越发明显，在晶粒梯度为0.230时，应力拉压不对称性达到最大，此后随晶粒梯度的增大而逐渐减小。通过统计发现，梯度纳晶镍在变形过程中位错运动和位错密度也存在拉压不对称性。进一步定量分析得知，位错密度拉压不对称性随晶粒梯度的变化趋势与平均流动应力的应力拉压不对称性一致，证实了位错运动是导致应力拉压不对称性的直接原因。     

Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的应变率敏感性

为研究调制周期和界面结构对纳米多层膜应变率敏感性的影响,采用电子束蒸发镀膜技术在Si基片上制备了不同周期(Λ=4 nm,12 nm,20 nm)的Cu/Ni纳米多层膜,采用磁控溅射技术在Si基片上制备了不同周期(Λ=5 nm,10 nm,20 nm)的Cu/Nb纳米多层膜。在真空条件下,对Cu/Ni纳米多层膜进行了温度分别为200和400℃、时间4 h的退火处理,对Cu/Nb纳米多层膜进行了温度分别为200、400和600℃,时间为4 h的退火处理。采用XRD和TEM表征了Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的结构,采用纳米压痕仪获取了不同加载应变率(0.005、0.01、0.05和0.2 s~(-1))下纳米多层膜的硬度。结果表明,应变率敏感性受到界面结构和晶粒尺寸的影响,非共格界面密度提高以及晶粒尺寸变大均可导致应变率敏感性下降。当周期变大时,Cu/Ni纳米多层膜的非共格界面密度提高,晶粒尺寸变大,应变率敏感性指数m减小;当周期变大时,Cu/Nb纳米多层膜的非共格界面密度下降,晶粒尺寸变大,m基本不变。随退火温度上升,Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜应变率敏感性大体上呈现下降趋势,这是由退火过程中非共格界面密度上升和晶粒长大共同引起的。     

电刷镀纳米铜拉伸和压缩性能相关性分析

采用电刷镀技术制备晶粒尺寸为26nm的纳米晶铜,利用X射线衍射仪和透射电子显微镜分析电刷镀纳米晶铜微观结构及显微组织。使用MTS试验机对电刷镀纳米Cu进行应变速率为1.04×10-6～3.0s-1的拉伸和压缩试验,并分析两种试验所得性能的差异及其中的相关性。结果表明,电刷镀纳米晶Cu有较好的综合性能。由于其具有均匀一致的晶粒尺寸和大角晶界,此电刷镀纳米晶Cu可以作为本征纳米晶Cu材料进行分析。     

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.     

MoSi2/不锈钢连接梯度过渡层的残余应力

采用放电等离子烧结（SPS）技术,利用MoSi2/316L梯度材料作为过渡层连接MoSi2与316L不锈钢,并运用有限元软件ANSYS对MoSi2与316L不锈钢接头制备过程中所产生的残余应力进行分析。结果表明：随成分分布指数P增加,最大径向和轴向残余拉应力先减后增,当P=0.8时,两者同时接近最小,且MoSi2侧的最大径向拉应力较小;随梯度层数n增加,最大径向和轴向残余拉应力逐渐减小,当n=9时,最大径向和轴向残余拉应力分别降为n=0时的24%和25%,且梯度层继续增多时,变化趋势变得平缓;随梯度层厚度d增加,最大径向和轴向残余拉应力逐渐减小,当d=1.0 mm时,变化趋势平缓;利用P=0.8、d=1.0 mm、n=9的MoSi2/316L梯度材料作为过渡层体系获得致密且均匀的连接接头。     

表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展

多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导,从而引起材料的性能下降,使用寿命缩短.受生物材料的梯度结构启发,近年来开发了多种表面纳米化技术,成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构,强化和保护了材料表面,有效地解决了上述问题.结合国内外表面纳米化的研究结果,综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展.首先,介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展.其次,对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳,并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述.随后,总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响.最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战.     

剧烈塑性滚柱滚压诱导纯铜表层的梯度纳米/微米结构(英文)

为了研究由剧烈塑性滚柱滚压在纯铜表层诱导出的梯度纳米/微米结构特征及其晶粒细化机制,采用SEM、TEM、XRD、OM等方法观察样品距表面不同深度的组织特点和材料特性。结果表明,滚压所引入的纳米/微米结构层厚度超过100μm。近表层的硬度有显著的提高,这归因于晶粒尺寸的减小,所生成的等轴纳米晶为随机晶粒取向且绝大多数晶界为小角度晶界。粗晶通过位错运动细化至几微米;变形孪生是形成亚微米晶的主要机理;纳米结构的形成由位错运动主导并伴随局部区域的晶粒旋转。     

纳米晶锰的制备与力学性能研究

采用电化学沉积法，在Cu基片上制备出了平均晶粒尺寸为3nm的纳米晶α-Mn通过对其在不同温度下真空退火，得到具有不同平均晶粒尺寸的纳米晶α-Mn系列样品。同时分析了电沉积、热处理条件对结构的影响，研究了结构与力学性能的关系。结果表明，随晶粒尺寸的减小，纳米晶α-Mn的力学性能表现出正Hall—Petch关系和反Hall—Petch关系；当晶粒小于临界晶粒尺寸42nm时，正Hall—Petch关系转变为反Hall—Petch关系。     

316L不锈钢梯度结构及其在退火中的演变

对316L不锈钢进行表面机械研磨处理（SMAT）,获得表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度组织。对SMAT样品进行不同温度的真空退火,研究组织变化。结果表明：当退火温度低于0．5L（L为熔点）时,316L不锈钢经SMAT后形成的梯度组织未发生明显的变化。随着退火温度的继续增加,梯度组织发生回复和晶粒长大,但晶粒长大的速度较小。整个退火过程中,内应力和微观应变的释放在SMAT样品的深度方向诱发了机械孪生,并在纳米结构表层中引起马氏体相变。     

Cu极薄带轧制中滑移与变形的晶体塑性有限元模拟

为了定量描述晶粒取向和结构对极薄带轧制微观塑性变形非均匀性的影响,采用晶体塑性有限元方法(CPFEM)和Voronoi图的多晶模型,考虑试样尺寸、晶粒尺寸、晶体取向及其分布,模拟了不同厚度Cu极薄带在相同压下率条件下的滑移与变形行为,得到了介观尺度上Cu极薄带的微观应力-应变和启动滑移系分布.模拟获得的应力-应变曲线和实验测得的曲线基本一致,验证了晶体塑性有限元模型的准确性.通过对40%压下率Cu极薄带轧制变形的研究表明,无论是在晶粒内部还是在晶粒间,材料内部的变形都非常不均匀,这种不均匀性主要是由初始晶粒取向和结构不同、近邻晶粒取向差以及变形时滑移系的运动特性和晶粒旋转不同引起的.滑移系首先在自由表面和晶界处被激活,而后引起晶粒内部滑移系的启动与运动.     

晶粒尺寸与保载载荷对Cu膜纳米压入蠕变性能的影响

利用纳米压入仪对Si片上的多晶Cu膜进行压入蠕变研究．实验结果显示晶粒尺寸大于200nm时，应力指数对晶粒尺寸不敏感．当晶粒尺寸小于200nm时，因压头底部更多的晶粒参与变形，应力指数随晶粒尺寸的降低而增大．认为薄膜材料存在一个对应力指数不敏感的最小If缶界晶粒尺寸ιc，Cu膜的应力指数随保载载荷增大而增大，其主要原因在于高载荷下位错强化机制使蠕变率降低。     

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。     

喷丸工艺对TC4钛合金梯度纳米晶结构的作用规律

目的通过改变喷丸的压力或时间,在钛合金表面制备出剧烈塑性变形(SPD)层较厚、硬度较高的梯度纳米晶结构。方法改变喷丸压力(0.3~0.6 MPa)或喷丸时间(15~60 min),调控TC4钛合金表面梯度纳米晶结构的变形层厚度和纳米晶晶粒尺寸。利用金相显微镜观察塑性变形层截面的组织形貌,通过X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)确定喷丸表面纳米晶的晶粒尺寸,通过显微硬度计对塑性变形层的截面硬度进行研究。结果一定喷丸压力(0.6MPa)下,SPD层和总变形层厚度分别在喷丸25、30 min时达到饱和值78μm和143μm。一定喷丸时间(25 min)下,SPD层和总变形层的厚度随喷丸压力的增加而增厚,在0.4 MPa时达到饱和,分别为78μm和120μm。当SPD层厚度进入饱和阶段后,表层晶粒大小和硬度强化程度都趋于稳定;在0.6 MPa下,当表面α相细化至稳定阶段时,晶粒尺寸为30~90 nm,表面硬度提高约30%。结论喷丸SPD层及总变形层的厚度随喷丸时间的延长或喷丸压力的增大而增厚,当SPD层厚度趋于饱和后,表面晶粒尺寸和硬度强化程度都已饱和。