文档介绍：项目名称:
纳米金属材料的多级结构制备及优异性能探索研究
首席科学家:
卢柯中国科学院金属研究所
起止年限:
依托部门:
中国科学院
一、关键科学问题及研究内容
本项目拟解决的关键科学与技术问题包括:多级纳米结构在金属材料中的形成演化规律和制备技术,多级纳米结构金属材料的本征力学性能、塑性变形机制、疲劳损伤机制及结构-性能关系,多级纳米结构金属材料的理化性能特征和综合性能调控途径,多级纳米结构金属材料的结构稳定性特征及其调控途径,多级纳米金属材料的规模化制备技术及工业应用。
针对上述关键科学问题,本项目拟主要针对以下四类典型多级纳米结构金属材料展开研究:
1)纳米孪晶结构:多晶体中所有晶粒或部分晶粒由纳米尺度孪晶结构组成;
2)表层梯度纳米结构:指晶粒尺寸自表及里在空间上呈梯度分布(纳米-亚微米-微米),梯度纳米结构层的厚度超过百微米。
3)纳米多孔结构:由纳米尺度(最小可至3-4 nm)的金属柱和纳米尺度的孔洞交互贯通而成的网络状结构;
4)复相纳米镶嵌结构:指由两种或多种纳米相复合或相互镶嵌而形成的纳米结构。
本项目拟分别选择两类材料作为研究对象,即具有典型结构特征的模型材料和具有普适性的典型工程材料。如表1所示,模型材料主要集中在纯金属和简单合金,如纯Cu、Ni、Fe、Au和单相合金材料Cu-Al合金及Al合金等,通过研究模型材料的微观结构形成和演化机制、微观结构和力学及理化性能、结构稳定性、强韧化机制和损伤机制等,建立多级纳米结构的结构-性能关系和提高综合性能的原理。实用材料主要包括Cu合金、Al合金、奥氏体不锈钢、奥氏体高锰钢、耐热钢、低合金钢等,利用多级纳米材料的结构-性能关系和综合性能优化原理,研究其综合力学及理化性能(如强度、塑性、韧性、导电性、导热性、耐腐性、耐磨性,低温表面合金化以及稳定性等),发展具有优异综合性能的多级纳米结构金属材料并推动其工业应用。主要开展以下工作:
表1: 本项目研究材料结构体系、材料类别及主要目标汇总表
多级结构
模型材料
目标
实用材料
(性能)目标
纳米孪晶结构
Cu, Cu-Al合金
强韧化机制,损伤机制
结构稳定性
Cu合金
奥氏体不锈钢、奥氏体高锰钢
高强、高导电/热;
高强、高耐腐性;
高强、高韧/塑
表层梯度纳米结构
Cu, Ni, Fe,Cu-Al合金
结构形成机制、本征变形机理,疲劳及断裂机理、扩散和化学反应机制
不锈钢(管材、棒材、板材)、碳钢、
高Mn钢、耐热钢
高强、高韧、高疲劳性能;高耐腐蚀、耐磨性;低温表面合金化
纳米多孔结构
Au
微结构形成过程,变形机理和强韧化机制
Ag、Cu、Ni等金属以及相应合金
表面诱发的功能效应
复相纳米镶嵌结构
Cu-Al合金
Al合金
Fe-Zr合金
结构稳定性机制、强韧化机制
复相形成机理及变形机制
Al合金
低合金钢
不锈钢
高强高韧
高热稳定性
1 金属材料多级纳米结构的设计、结构形成原理与演化规律
(1) 针对模型材料,研究金属材料的基本结构-性能关系和宏观性能调控原理,分别设计具有不同特征尺寸、不同空间和成分分布和不同体含量的纳米孪晶结构、表层梯度纳米结构、纳米多孔结构以及复相纳米镶嵌等多级结构,并通过发展制备技术、控制制备工艺,实现多级纳米结构的可控制备。利用多级纳米结构的性能特征,通过分别调控多级结构的特征参数实现对多个宏观性能的优化。
(2) 针对不同的制备方法,研究模型材料的制备原理及结构演化规律,如电解沉积过程中单质Cu的纳米孪晶结构生长热力学和动力学原理;研究塑性变形技术制备的多级纳米金属材料(纯金属、合金及各种钢材)的微观结构纳米化演变过程、组织结构及缺陷的演化规律及组织细化机制,变形孪生及纳米晶粒结构的动力学条件、变形组织中剪切带的形成与演变规律;研究控制相变制备复相纳米镶嵌结构过程中基体和析出相在时效过程中的结构和成分演化规律、析出反应热力学和动力学规律。
2 金属材料多级纳米结构的可控制备技术及工艺优化
针对宏观力学性能和理化性能研究工作的需要,发展各类多级纳米结构金属材料的制备技术和工艺过程。
(1)研究电解沉积过程中沉积参数和电解溶液参数等对纳米孪晶Cu中孪晶尺寸、孪晶密度、取向等的影响;研究动态塑性变形(DPD)过程中应变速率、变形温度及层错能对模型材料(Cu、Cu合金及不锈钢)中纳米孪晶及纳米晶粒组织尺寸、密度、含量和空间分布等的影响;
(2)研究表面机械碾磨处理(SMGT)及表面机械研磨处理(SMAT)过程中工艺参数对Cu、Ni、Cu-Al合金等模型材料表层梯度纳米结构的影响规律。优化工艺条件,研究工艺参数对奥氏体不锈钢和高Mn钢多级