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纳米尺度下材料界面力学性能及氢的影响研究
| 论文题名： | 纳米尺度下材料界面力学性能及氢的影响研究 |
| 关键词： | 汽车材料;纳米尺度;力学性能;氢致效应 |
| 摘要： | 近年来，为了降低车辆和电气设备的能源成本，人们对轻量化的需求越来越大，为此开发并实施了先进的连接和焊接技术（例如，搅拌摩擦焊），从而能够将轻质材料（如铝）与具有一系列热物理性能的其他材料连接起来。对于连接过程中所涉及的材料,其复合界面附近微观结构的演变相当复杂。在铝或铜的连接过程中产生的界面通常包含具有一定量的金属间微观结构，这些结构靠近界面，比基体材料具有更高的硬度和强度。然而，纯金属和这些金属间化合物之间的界面的结合强度通常低于基材或化合物的强度。随着这方面研究的广泛开展，人们意识到通过提高界面的质量，减少界面附近的缺陷，控制界面区域中金属间相的尺寸和形态，对于复合材料的界面性能至关重要。 除此之外，为了响应低碳经济和减少碳排放的号召，氢作为一种绿色能源被大力推广。然而，材料中的氢脆效应导致的力学性能下降给氢气的安全使用造成了严重隐患。氢脆的发生源于氢原子在材料内部扩散并和微纳结构相互作用，材料内部的界面可做为捕氢点位吸附氢原子防止其扩散至脆弱部位导致材料提前失效。因此，了解氢与界面之间的相互作用对设计抗氢脆材料具有指导意义。 由于界面区域往往为纳米级别，利用实验难以直接进行表征，并且实验得出的结果往往为多种微纳结构作用的叠加，难以对单一结构进行定量描述。借助分子动力学方法可观察应力加载下界面微观结构的连续演变过程，建立“成分-结构-性能”之间的联系，可通过模拟结果优化实际工艺过程从而提高界面力学性能。基于此方法，本文对铝铜复合界面以及氢环境下钢中相界、晶界开展了研究。使用K-Means聚类算法结合多尺度计算结果搭建金属间化合物界面。评估退火温度对铝铜界面微观结构特征演变的影响，并表征铝铜复合排的界面强度。研究发现，铝铜界面的失效发生在界面的富铝侧。提高退火温度降低了铝铜界面的缺陷密度，抑制了纳米空隙的产生，从而提高了界面强度。 通过对不同珠光体片层间距的氢吸附模拟发现，较小间距的结构吸附相对较多的氢原子。同时内部晶界旋转角也影响氢吸附量，并且表现出不同的断裂模式。通过构造不同的沉淀相结构在钢中形成共格/非共格界面，发现界面处对氢的捕获最强。在改变沉淀间距和氢浓度的情况下，面心立方沉淀形成的非共格界面氢脆敏感性更小。确定了沉淀捕获氢的临界浓度，在临界浓度范围内，沉淀捕获氢后结构仍然稳定。同时观察到不同氢浓度下位错沉淀相互作用机制的改变。 |
| 作者： | 汪小莉 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 程光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京化工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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