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科学技术的高速发展需要工程结构材料具有多功能性,但传统的方法(如晶粒细化/固溶强化)使材料在高强和高塑/韧性上不能同时兼顾,使得传统材料在工程应用上受到诸多制约。通过对多种不同特征尺寸的微观结构进行调控,可实现异质结构的“空间非均匀性”。各结构之间在受力状态下会产生应变梯度,促使几何必须位错产生,位错密度的增加可以改善材料的加工硬化能力,从而突破传统材料“强度-塑/韧性”的倒置关系,使异质结构材料获得优异的综合力学性能。异质结构材料的可控制备是优化异质结构的关键。化学沉积方法具有逐层沉积的特点,可实现对微观结构的可控制备。同时该方法高效简单,是制备异质结构金属材料非常重要的方法之一。论文第一部分研究异质结构材料的优化对材料强/塑性倒置关系的影响。分别研究了对称梯度Ni-P的结构优化与强/塑性之间的关系,以及非晶Ni-P/粗晶Ni双层结构的优化与强/塑性之间的关系。得出的主要结论如下:1.应用电沉积方法,通过调控每一沉积层的P含量,控制金属Ni晶粒尺寸的变化,从而制备出晶粒尺寸和P含量连续变化的复合对称梯度结构Ni-P合金。合金化的方法可制备出晶粒尺寸从7 μm到10 nm连续变化的梯度结构,有效的扩大了梯度结构Ni的晶粒尺寸变化跨度。通过研究合金中P含量与晶粒尺寸以及硬度的关系,揭示出P的主要作用是晶粒细化和固溶强化。对称梯度结构Ni-P合金的拉伸结果表明渐变的微观结构之间的相互作用可以获得额外提升整体强度的能力,同时还出现了加工硬化率回升的现象,从而实现比单边梯度结构Ni更加优异的强/塑性协同作用。此外,对称梯度结构Ni-P的表层硬度可以达到Ni-P合金体系的最大硬度,使对称梯度结构Ni-P的表面耐磨损性能优于粗晶Ni。2.应用化学沉积的方法,制备出一系列整体厚度为300 μm且Ni-P非晶层厚度从0μm到13.9μm变化的非晶Ni-P/粗晶Ni双层结构试样。试样的机械性能测试结果表明Ni-P非晶层的厚度不仅决定Ni-P非晶层的失效方式,即剪切带和裂纹:而且决定双层结构试样的强塑性和变形机理。随着Ni-P非晶层厚度从0 μm增加到13.9 μm,双层结构试样的屈服强度从206 MPa单调增加到268 MPa,但均匀延伸率呈现先增后降的趋势,出现峰值延伸率。当Ni-P非晶层厚度为6.5μm时,双层结构试样具有最佳的均匀延伸率,为32.6%。相较于粗晶Ni试样,该厚度的双层结构试样的屈服强度提升了 1.13倍,均匀延伸率提升了 1.11倍,实现了强度和塑性的同时提升。在Ni-P非晶层厚度为6.5μm的试样中,靠近Ni-P非晶层裂纹尖端的粗晶层在变形过程中衍生出最大的应力/应变梯度区域,使该试样产生最大的背应力,从而使其具有最佳的均匀延伸率。此外,该试样中粗晶层的变形方式也发生改变,由位错滑移机制变成位错和孪晶相互作用机制,孪晶的出现同样对额外的延伸率产生一定的贡献。以上结果表明,优化双层结构的厚度层可以实现非晶Ni-P/粗晶Ni双层结构材料最佳的强/塑性。论文第二部分研究了梯度结构Ni的断裂韧性,具体研究了两组不同梯度率的梯度结构Ni的断裂韧性以及梯度方向(当裂纹从粗晶向纳米晶扩展,定义为“CG→NG”;当裂纹从纳米晶向粗晶扩展,定义为“NG→CG”)对其断裂韧性和断裂机理的影响,得出的主要结论如下:1.与超高强度纳米晶(NG)和高韧性粗晶(CG)的均质结构Ni相比,梯度结构Ni可以实现高强度和高韧性的优异组合。2.CG→NG:该梯度方向的试样中裂纹从粗晶区域启裂,沿晶粒尺寸由大到小的方向扩展到纳米晶区域,所得的R曲线与CG试样类似,显示出强度和韧性的最佳组合。梯度结构CG→NG裂纹扩展初期在粗晶区域会发生钝化,表现为韧性断裂。然而,一旦钝化裂纹塞积在晶粒尺寸为1-2 μm的区域时,在纳米晶区域会产生另一条脆性裂纹,并迅速扩展失效,发生不稳定的脆性断裂。一方面梯度结构CG→NG中由于钝化裂纹尖端存在渐变的微观结构,使得粗晶区域的钝化作用更大,具有增加塑性变形区的内增韧机制;另一方面裂纹扩展过程是韧性断裂向脆性断裂的转变过程,因此在安全应用上需要慎重考量。3.NG→CG:该梯度方向的试样中裂纹从纳米晶区域启裂,沿晶粒尺寸由小到大的方向扩展到粗晶区域,所得的R曲线优于NG的R曲线。但其断裂韧性值小于梯度结构CG→NG的断裂韧性值。随着裂纹长度的增加,梯度结构NG→CG的裂纹尖端由于晶粒尺寸不断变大而使得材料的韧性是不断增加的过程。此外,当梯度结构NG→CG中脆性裂纹扩展到粗晶区域时,裂纹尖端发生钝化。这种裂纹尖端韧性不断增加而发生钝化的结果表明梯度结构NG→CG的裂纹扩展过程是脆性断裂向韧性断裂的转变过程,有很好的安全应用前景。4.两组梯度结构S1和S2在相同梯度方向上(CG→NG和NG→CG)其断裂机理均未发生改变。但是,粗晶占比为60%的梯度结构S1其CG→NG和NG→CG试样均展现出更优异的断裂韧性。具体表现为:S1 CG→NG试样中表现出更长的钝化区域,而S1 NG→CG试样中脆性断裂→韧性断裂转变的位置提前。所以,粗晶占比更多的梯度结构金属Ni能够展现出更加优异的断裂韧性。