文档介绍：纳米挛晶金属材料
摘要：金属材料的高强度和良好的塑韧性是很多金属材料所究者追求的目标，本文总结了卢柯课题组金属材料中纳米挛晶对强度和塑韧性的影响，并阐明了挛晶界面的作用以及机械挛生对镁合金的影响。
关键词：强度塑韧性季晶界面机受应力最大的地方。材料科学家从自然界这些材料的结构特点获得启发，开始有目的地设计梯度结构金属材料。
与均匀结构相比，梯度结构材料能够更有效地抵御材料的失效。利用纳米材料强度高,在金属材料表层形成纳米尺度晶粒，并随距表面距离的增加，晶粒尺寸梯度增加，形成所谓的梯度纳米结构(Gradientnano 一 grained, GNG)金属材料, 将明显提高整体材料的摩擦磨损、疲劳和腐蚀等性能，从而延长材料的使用寿命或满足特殊环境的使用要求。
该重大项目通过自主发展的表面机械碾压处理(SMGT)技术，在多种纯金属及工程材料中成功制备出梯度纳米结构，自表及里晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至微米尺度，材料芯部的晶粒尺寸为几十微米的粗晶结构，这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。SMGT技术制备的梯度材料纳米晶与粗晶基体结构梯度的过渡, 有效避免了纳米材料与基体剥离的问题，从而为研究纳米材料拉伸实验本征力学性能提供了理想材料。研究结果表明梯度纳米结构铜及不锈钢拉伸屈服强度都有大幅度提高,而拉伸延伸率并无明显下降。纳米梯度铜室温拉伸实验显示,具有梯度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整，未出现裂纹，表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制。微观结构研究表明，梯度纳米结构铜在拉伸过程中，其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移，从而导致伴随的晶粒长大。梯度纳米结构铜及不锈钢表层硬度明显增加，使材料摩擦磨损性能显著提高，并可抑制裂纹的萌生。
梯度纳米材料不但推动了纳米金属材料本征力学性能的研究和认识,也为纳米金属材料的工业应用开辟了一条新途径。
挛生界面具有优良的疲劳抗力
据统计，机械设备的各种断裂事故中，大约80%是属于疲劳破坏，而这些疲劳破坏主要起源于材料在交变载荷下，内部萌生裂纹和随后的扩展过程。大量研究表明，晶界是强化金属多晶体材料的重要界面，而它又是容易萌生疲劳裂纹的有利位置。因而，如何通过设计和控制金属材料的界面,进而提高材料的强度乃至疲劳强度是材料科学家一直以来的研究重点。近年来，一种特殊的晶界一“挛晶界面”以其对材料强度和塑性的双重贡献进人了人们的视野。鉴于这种挛晶界面的特殊性，金属研究所卢柯院士曾提出了共格挛晶界面对金属材料的强韧化机制。然而，对挛晶界面在疲劳载荷下裂纹萌生机制的认识尚不清楚。选择具有不同层错能的纯铜与铜合金作为研究对象，揭示了金属材料层错能大小和挛晶界面两侧晶体取向关系对挛晶界面疲劳裂纹萌生的影响。研究结果发现:挛晶界面相对于普通晶界更难于萌生疲劳裂纹,而其萌生裂纹的难易程度主要受晶体取向（施密
特因子差）、层错能和滑移方式的影响。由于挛晶界面对位错既具有阻碍作用，也可允许部分位错穿过，因此，随施密特因子差减小、层错能升高以及滑移方式的转变，挛晶界面会允许更多的位错穿过，从而明显提高疲劳裂纹萌生的阻力。通过进一步比较几种不同晶界的疲劳开裂机制，进而确定了萌生裂纹的难易顺序为：小角晶界