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纳米结构金属具有很高的强度,但是大部分情况下,均匀拉伸伸长率较低。梯度纳米结构材料很好的克服了纳米材料的这一缺陷,由于其晶粒尺寸在空间上呈现梯度分布,不同尺寸的晶粒之间相互作用,产生了协同强化,大幅提高了材料的强度和硬度。而在各层材料之间的应变协调作用下,材料的均匀拉伸伸长率也得到了显著提升。梯度纳米结构材料优异的强度和塑性使其成为了研究的一大热点。本文针对梯度纳米结构材料的制备技术和力学性能表征进行了如下工作:(1)对表面碾压(SMRT)制备梯度纳米结构材料的方法进行改进。提出了通过气压调整压头压入量的方法,设计了小型的原型机用于模拟实验的工况,并根据模拟结果对实验的电机功率进行了校核。此外,针对实验设计了恒压进给装置、抗挠曲装置,用于保障试样加工的稳定性。并通过表面压痕有限元模拟,获得了实验中输入气压与压入深度的匹配关系。最后搭建了SMRT的设备,并制备了具有梯度结构的316L不锈钢。(2)基于Estrin等提出的位错密度演化方程,在abaqus中建立了与之对应的子程序Vumat。采用AISI4340的材料参数,建立了表面碾压(SMRT)的有限元模型,对单次碾压和多次碾压的工况分别进行了模拟。模拟过程中,通过改变碾压的压力和进给速度,研究了这两个变量对材料晶粒细化的影响。而通过多次碾压和单次碾压的对比,也证明了碾压次数在加工过程起到的积极作用。(3)提出了一种基于显微硬度建立梯度纳米结构IF钢的本构模型的新方法,并通过单轴拉伸过程的有限元模拟研究了应力状态演化。将梯度纳米结构层划分为12个等厚度薄层,假设各薄层与芯部粗晶的力学性能可用Hollomon硬化准则和GTN损伤模型表征,通过基于实验的反演算法识别出模型中的材料参数,从而建立了表征梯度纳米结构IF钢的协同强化效应和损伤演化的本构模型。通过模拟梯度纳米结构IF钢的单向拉伸过程,分析了材料拉伸截面上应力和应变的演化。基于有限元模拟获得的轴向应力—轴向应变曲线,准确预测了不同梯度层占比时的临界失稳应变。