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。     

片层厚度对双相TiAl合金力学性能影响的纳米压痕分子动力学研究

为研究纳米压痕过程中片层厚度和γ/α2相界对双相TiAl合金变形行为及力学性能的影响,本文针对5种不同厚度的双相TiAl合金模型,采用分子动力学的方法模拟计算了金刚石压头以垂直于γ/α2相界方向分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。结果表明：材料的硬度随片层厚度的减小而增大,当片层厚度减小至7nm时,材料的硬度达到最大值,进一步减小片层厚度时,材料的硬度反而减小。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变,与硬度呈现正比关系。此外,在纳米压痕过程中,压头压入γ相时,变形行为以{111}面的层错为主,γ/α2相界会阻碍位错的运动;压头压入α2相时,变形行为以(0001)基面的堆垛层错为主,基面上Shockley不全位错的运动会导致材料表面产生相变,且棱柱面滑移被激活。     

压痕尺寸和晶粒/亚晶粒尺寸对高纯钨显微硬度的影响（英文）

通过对不同结构的高纯钨进行微米和纳米压痕实验,发现压痕尺寸和晶粒/亚晶粒尺寸对材料的硬度有重要影响。探讨硬度的晶界效应和压痕尺寸效应。采用Nix-Gao模型,结合尺度因子对实验获得的压痕硬度值进行拟合。结果表明,尺度因子几乎与晶粒或亚晶粒的尺寸无关。塑性变形区与晶界或亚晶界之间的相互作用是导致硬度在某一特定深度增加的原因,而塑性变形区与晶粒或亚晶粒的尺寸几乎无关。当塑性变形区扩展增大到单个晶粒或亚晶粒尺寸时,压痕硬度开始趋于稳定。     

剧烈塑性变形对块体纳米金属材料结构和力学性能的影响

综述了剧烈塑性变形引起的块体纳米金属材料的结构和力学性能演变.以电化学沉积法制备的fcc结构纳米晶Ni-20%Fe(质量分数)合金为研究对象,通过对其进行不同应变量的高压扭转实验,系统分析了变形引起的结构和力学性能演变.结构表征结果表明:(1)变形引发纳米晶Ni-Fe合金晶粒旋转,实现晶粒长大.同时,晶粒长大过程伴随着位错密度、孪晶密度的演变;(2)存在一个最有利于变形孪晶生成的晶粒尺寸范围(45~100 nm),在这个晶粒尺寸范围之外,去孪晶起主导作用使原有的生长孪晶或变形孪晶消失;(3)位错密度是影响位错与孪晶反应的新的影响因素.当发生孪晶的晶粒内位错密度低时,位错可完全穿过孪晶界,部分穿过孪晶界,或被孪晶界吸收;发生孪晶的晶粒内位错密度高时,大量位错缠绕并堆积在孪晶界附近,形成应力集中,破坏孪晶界原有的共格性.为释放局部应力,将从孪晶界的另一侧发射不全位错形成层错和二次孪晶;(4)在塑性变形导致的晶粒长大过程中,原先偏聚于消失了的晶界上的C和S沿残留晶界扩散并继续偏聚于晶界上.结构与力学性能关系结果表明:随着应变量的增加,应变强化、应变软化交替出现.位错密度对硬度的演变起主导作用,其它结构演变(如孪晶密度的变化和晶粒尺寸变化)对硬度的演变起次要作用.     

孔洞式缺陷对γ-TiAl合金断裂行为的影响

采用分子动力学模拟方法研究了孔洞在不同温度、位置以及尺寸下对多晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响。结果表明,含孔洞式缺陷多晶γ-TiAl合金在1～750 K时为脆性解理断裂,1000 K和1200 K为韧性蠕变断裂。孔洞位于晶界和三叉晶界上时,合金更容易失效。与完美晶体相比,微孔洞的存在增加了多晶γ-TiAl合金的塑性。当孔洞半径大于1.0 nm时,多晶γ-TiAl合金的屈服应力和屈服应变急剧降低,材料发生失效的时间提前。孔洞尺寸的不同会影响材料的断裂方式,当孔洞半径R≤0.8 nm时,含孔洞多晶发生沿晶断裂;当R>0.8 nm时,多晶γ-TiAl合金的孔洞不断扩大逐步占满整个晶粒,发生穿晶断裂。     

纳米压痕过程的多尺度模拟与Rice-Thomson位错模型分析

采用多尺度准连续介质法（简称QC方法）对单晶Ag薄膜纳米压痕过程进行模拟,研究压头宽度对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度的影响,并用Rice-Thomson位错模型（简称R-T位错模型）进行分析。结果表明,纳米压痕获得的载荷-位移曲线呈现出的不连续性与位错之间的协同作用密切相关;压头尺寸对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度具有明显的影响：随着压头宽度的增加,法向和切向接触应力以及纳米硬度值递减,呈现出明显的压头尺寸效应;而压头下方薄膜内位错形核临界载荷却递增,且与压头半宽度的平方根成正比。模拟结果与相应实验结果以及R-T位错模型计算结果吻合     

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。     

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.     

多晶体材料的晶界强化模型研究

近几十年来,材料的细晶强化研究大量开展。在一般晶粒尺寸范围内,材料的强度随晶粒尺寸的变化是符合Hall-Petch关系的,但在纳米晶体材料中出现了偏离甚至反Hall-Petch关系的现象,因此Hall-Petch关系的使用具有一定的局限性。文章从塑性变形理论出发,建立了晶界强化数学模型,通过该模型,研究了晶粒大小、晶界厚度及晶界体积百分数、晶界能、弹性模量与多晶体材料强度的关系,发现除了晶粒大小及晶界厚度影响材料强度之外,弹性模量、晶界能越大,多晶体材料的强度越高。     

基于分子动力学单晶硅的纳米压痕过程研究

基于分子动力学的基本理论,在微纳米尺度下建立了单晶硅的纳米压痕分子动力学模型。研究了在纳米压痕过程中单晶硅基体的变形机理、势能变化和温度变化。研究发现:在纳米压痕过程中基体上出现了位错、空位及滑移带,基体两侧有凸起现象。当压头撤离时,基体与压头间存在颈缩现象。在系统达到平衡时系统的势能出现不同,这是因为原子位错运动使得系统增加的势能小于压头原子所做的功。温度的变化与位错变形的程度相关,位错变形越剧烈系统温度升高的越快。     

基于分子动力学单晶硅的纳米压痕过程研究（英文）

基于分子动力学的基本理论,在微纳米尺度下建立了单晶硅的纳米压痕分子动力学模型。研究了在纳米压痕过程中单晶硅基体的变形机理、势能变化和温度变化。研究发现:在纳米压痕过程中基体上出现了位错、空位及滑移带,基体两侧有凸起现象。当压头撤离时,基体与压头间存在颈缩现象。在系统达到平衡时系统的势能出现不同,这是因为原子位错运动使得系统增加的势能小于压头原子所做的功。温度的变化与位错变形的程度相关,位错变形越剧烈系统温度升高的越快。     

纯钨高压扭转晶界演化和非平衡晶界形成机理

本研究在550℃下对纯钨分别进行了1、2、5和10圈的高压扭转变形,并对变形前后的微观组织进行了EBSD和TEM表征。结果显示,纯钨经过大塑性变形后,晶粒得到细化,大角度晶界比例上升,同时晶内位错逐渐向晶界处移动并产生有序化排列。采用修正位错模型对变形前后的晶界能量进行了计算,计算结果表明纯钨在经过大塑性变形后,晶界上的能量升高并且能量主要来自于变形过程中在晶界处积累的额外位错。同时在变形后的试样中观察到了一种特殊的非平衡晶界,分析可知非平衡晶界的形成条件是材料晶粒尺寸在位错平均自由程以下,并且是在大塑性变形材料中形成的。其在TEM高分辨下的形貌特征表现为较宽的晶界厚度和晶面干涉形成的莫尔条纹。     

镁合金塑性变形机制

针对不同晶粒尺寸的镁合金AZ31及添加稀土Ce或Nd的AZ31Ce/AZ31Nd的轧制变形行为,探讨了滑移、孪生和晶界滑动三种变形机制在镁合金塑性变形过程中的作用.结果表明:多种变形机制共同作用可提高镁合金在热变形时的塑性变形能力;合金热变形及再结晶退火后,在平均晶粒尺寸为50 μm以上的大晶粒中,变形机制以滑移和孪生为主,位错运动和增殖会使位错在变形过程中互相缠结、钉扎以及受晶界的阻碍而终止运动;孪生容易发生在不利于滑移的晶粒中促进塑性变形;在5～20μm的小晶粒中,晶界滑动机制发挥了重要作用,它可以协调大尺寸晶粒的变形而对提高镁合金变形能力起有益的补充作用.     

800 MPa级冷轧热镀锌双相钢的微观变形行为

利用透射电镜和EBSD技术对拉伸过程中800 MPa热镀锌双相钢的微观变形行为进行了研究,主要分析了不同变形量下的形变位错组态、铁素体形貌、马氏体形貌、铁素体晶粒尺寸和微观晶粒取向。研究结果表明:随着变形量的增加,铁素体晶粒内位错密度不断增加,进而产生缠结并形成位错胞;此后随着变形量的继续增大,位错胞数量增多,尺寸变小。随着变形量的增加,铁素体晶粒尺寸不断变小,当变形量为11%时,铁素体晶粒不再是规则的等轴形状,大部分的晶粒尺寸不到1μm;拉伸过程中,越来越多的位错塞积将大的铁素体晶粒分割成许多小尺寸的位错胞,导致大角度晶界比例下降,小角度晶界比例上升。     

不同调制波长Cu/Ag多层膜硬度分析

用直流电沉积双槽法在纯铜基体上制备了不同调制波长的Cu/Ag多层膜,研究了多层膜硬度与调制波长之间的关系.实验结果表明,当调制波长位于600～300nm时,Cu/Ag多层膜的硬度与调制波长之间较好地符合基于位错塞积模型的Hall-Petch关系;当调制波长小于300 nm时,硬度与调制波长的关系偏离了HaU-Petch关系.由实验结果分析得出了Cu/Ag多层膜的位错稳定存在极限晶粒尺寸约为25 nm,与基于程开甲等人的位错稳定性理论得出的Ag晶体极限晶粒尺寸27 nm接近,验证了程开甲等人的位错稳定性理论.     

纳米CoCrCuFeNi高熵合金原子尺度的实时变形行为（英文）

通过分子动力学方法分别在2×10⁸～1×10¹⁰s^-1的不同应变率和10～1200 K的不同温度下进行拉伸试验,并研究纳米CoCrCuFeNi高熵合金的实时变形行为。结果表明,在高温和低应变速率下的主要变形机制是晶界滑移。随着温度的降低和应变速率的增加,位错滑移取代晶界滑移来控制塑性变形,进而提高合金的强度。此外,为进一步研究晶界对力学行为的影响,对具有不同晶粒尺寸的合金进行模拟。结果发现,当晶粒尺寸过小时,纳米高熵合金的强度随着晶粒尺寸的增加而增加,表现出反Hall-Petch关系。     

基于微观结构的多晶Cu纳米压痕表面缺陷研究

基于多晶材料的微观拓扑结构,从多晶Cu纳米压痕中晶粒内部、晶界面、三叉晶界和顶点团等4类微观结构与缺陷结构的配位数、内应力、原子势能等方面,研究了压痕表面位错缺陷的演化机制。结果表明:当高维数的微观结构承载压应力时,与其邻近的低维数微观结构表现为拉应力,且更低维数的微观结构(顶点团)更易表现为拉应力;位错缺陷形核时其原子具有较高的内应力与原子势能,扩展时其边缘的不完全位错原子内应力高于内部堆垛层错原子内应力;位错形核与扩展和内应力的累积与释放具有相似的方向性,首先扩展至低维数的顶点团、三叉晶界,而后传递至高维数的晶界面并止于晶界面。     

金属多晶体塑性变形几何分析及双相TiAl基合金的室温塑性

通过对金属多晶体塑性变形几何分析表明,塑性应变量一定时,扫过单位体积晶体的位错线长度与晶粒尺寸成反比,从理论上证明了单位面积晶界所发射的位错线长度与晶粒尺寸无关,而晶粒间协调变形时晶界凸起或凹陷的畸变量与晶粒尺寸成正比。     

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.     

退火时间对块体纳米晶Fe3Al材料组织性能的影响

在800℃下对铝热反应法制备的含10%Ni的纳米晶Fe3Al材料进行了不同时间的等温热处理,保温时间分别为4、8、12、16、20、24和48 h。利用XRD和TEM分析了不同保温时间下材料的平均晶粒尺寸,并对硬度进行了测试,研究了晶粒尺寸变化趋势以及硬度变化规律,探讨了两者之间的变化关系。结果表明:材料的平均晶粒尺寸在不同时间的退火处理后,呈现出两次减小,两次增大,最后趋于平稳的过程。晶粒尺寸在4 h等温处理后达到最小值16 nm,在24 h等温处理后达到最大值35 nm。存在一个临界值dc=20 nm,当晶粒尺寸小于dc时,维式硬度和晶粒尺寸之间满足反Hall-Petch关系,当晶粒尺寸大于dc时,两者之间呈现正的Hall-Petch关系。16 h退火处理后维氏硬度最大为490 HV,24 h退火后维氏硬度最小为410 HV。