梯度纳米金属Ni的组织稳定性及其内在机理研究

Due to hierarchical nanostructure, gradient nanocrystalline metals can exhibit the advantages of their performance as well as effectively overcome the inverted relationship between strength and plastic in homogeneous nanocrystalline metals, expecting to be widely used in industrial production and manufacturing. However, mastering knowledge on the inherent mechanism of nanostructure stability is a critical foundation for the development of advanced nanocrystalline metals and keep stable high-performance in their applications. In this project, two groups high-quality symmetric gradient nanocrystalline Ni with a gradient size distribution ranging from 10 nm to 500 nm will be prepared by pulse electrodeposition technique. The evolution of microstructure such as grain size, grain preferred orientation and crystal defects during cold rolling will be characterized mainly by x-ray Diffraction and Transmission Electron Microscopy. The microstructure difference between gradient nanocrystalline Ni and homogeneous nanocrystalline Ni with fixed size distribution is compared and analyzed. The relationship between grain growth and crystal defects under external stress will be revealed. The stability of deformation microstructures in gradient nanocrystalline metal will be reviewed and the inherent mechanism of microstructure stability will be explored based on quantitative analysis, making an in-depth understanding of the plastic deformation behavior of gradient nanocrystalline metal. The success of this project will provide theoretical support and guiding significance for the processing and application of gradient nanocrystalline metal.

通过对纳米结构的多级构筑，梯度纳米金属可以在有效克服均匀纳米金属强度-塑性“倒置”性能缺点的同时发挥其性能优势，并有望广泛应用于工业生产和制造业中。而掌握纳米结构的组织稳定性变化规律，是研制先进纳米金属并在应用中使之保持稳定高性能的关键基础。本项目拟利用脉冲电沉积技术制备两组高质量的“对称式”纯Ni梯度纳米金属（晶粒尺寸梯度范围为10nm-500nm），并采用X射线衍射分析和透射电子显微分析为主要手段研究其在冷轧变形过程中晶粒尺寸、晶粒择优取向以及晶体缺陷等组织结构的演变规律。通过对比分析既定尺寸分布的均匀纳米金属和梯度纳米金属在冷轧变形过程中的组织结构演变情况，揭示外加应力场作用下晶粒长大与晶体缺陷的关系，考察梯度纳米金属变形组织的稳定性，探索基于微结构定量分析的组织稳定性内在机理，以此深入理解梯度纳米金属的塑性变形行为。该项目的研究将为梯度纳米金属的加工及应用提供理论支持和指导意义。

纳米晶材料的组织结构稳定性是关系到其能否实际应用的一个重要问题。在梯度纳米结构中，不同尺寸的晶粒在变形过程中发生的微结构变化值得从定量的角度去深入探讨。本项目利用直流电沉积技术，通过优化电沉积液配方、电流密度、搅拌子转速、PH值等条件制备出两组纯Ni梯度纳米结构样品，LHL(晶粒尺寸从表面到心部逐渐减小)和HLH(晶粒尺寸从表面到心部逐渐增大)。晶粒尺寸分析表明，两组样品的晶粒尺寸梯度范围均为20nm-100nm。扫描电子显微分析与显微硬度结果表明，电沉积样品的连续性和均匀性好，并具有很好的宏观对称性。对织构系数的评估表明，与标准无织构样品的数据相比，电沉积样品具有明显的（200）择优取向，也有部分沉积层显示出（111）择优取向。在室温条件下对样品进行不同程度的轧制变形后，采用X射线衍射分析为主要手段研究其在冷轧变形过程中晶粒尺寸、晶粒择优取向以及晶体缺陷等组织结构的演变规律。通过对比分析，在梯度纳米结构中，最终变形后的各层平均晶粒尺寸变化均小于既定尺寸分布的均质纳米结构样品。显微硬度分析表明，在这种分层“三明治”梯度样品中，晶粒尺寸较大的沉积层作为软相，确实承受了较大的变形。在晶粒尺寸较大的中心层中观察到变形引起的晶粒旋转变化，伴随着显微硬度的降低。在应力作用下，相对于中、大粒径的晶粒，由于晶粒的旋转和聚并机制，细小晶粒旋转活动更为明显，可间接通过I111/I200的变化得到证实。总的来说，由于表层同时经历压缩和剪切变形，表层或近表层表现出较高的I111/I200变化率。对于中心层，在整个过程中表现为平面应变压缩变形，（200）择优取向相对较弱。在样品HLH中，中心层甚至出现了I111/I200的反转变化。根据显微组织定量参数，基于Hall-Petch和Bailey-Hirsch关系的评价表明，在梯度结构中发生的这种应变硬化到应变软化的转变可归因于晶粒取向的变化。该项目的研究将为梯度纳米金属的加工及应用提供理论支持和指导意义。

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