纳米孪晶材料加工硬化行为及电学性能的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈先华 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-12-25 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 卢柯 |
| 关键词 | 脉冲电解沉积 Cu 纳米尺度孪晶 孪晶界/晶界 加工硬化 变形机理 尺寸效应 电阻率 316L不锈钢 强化效应 |
| 其他题名 | An investigation on work hardening behavior and electrical properties of nano-twinned materials |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 力学性能和电学性能是工业材料两项至关重要的指标。大量实验与模拟结果表明相对于传统粗晶材料，尽管纳米晶体材料强度高，但塑性差，加工硬化能力小，导电性也差。这在很大程度上限制了其工程应用。作为特殊的低能界面，孪晶界对位错运动有着很强的阻碍作用，但孪晶界与位错之间的相互作用有别于传统大角晶界，且孪晶界对自由电子的散射作用很弱。目前关于高密度生长孪晶界对材料力学和电学性能的影响及其内在机制缺乏统一的认识和深入的理解。所以，深入系统地研究含有纳米尺度生长孪晶晶体材料的加工硬化行为及导电机理具有重要意义。 本研究工作针对上述问题，运用脉冲电解沉积技术和表面机械研磨处理制备了具有纳米尺度生长孪晶的纯Cu样品和纳米晶体316L奥氏体不锈钢（316L SS）样品，系统研究了其加工硬化与电学性能。主要研究结果包括： 1．利用脉冲电解沉积工艺，实现材料结构可控生长，制备出两类纳米孪晶Cu样品：（I）平均晶粒尺寸为400-500 nm，晶粒内孪晶片层平均宽度在15-90 nm范围变化；（II）保证孪晶片层宽度相当（~60 nm），而平均晶粒尺寸不同（460 nm和1500 nm）。 2．透射电镜观察表明Cu样品的晶界形态、能量与孪晶密度相关。高密度孪晶Cu样品的晶界平直，界面能较低；而晶内孪晶密度较低时，晶界相当弯曲，晶体学厚度大，具有高的界面能量。在纳米孪晶Cu中，绝大部分孪晶界为{111}/{111}共格孪晶界，但同时存在少量{211}/{211}及{11 44}/{223}非共格孪晶界。两种非共格孪晶界结构的一个显著特征是{111}面条纹连续通过界面。 3．分别利用单向连续拉伸、加载-卸载和室温轧制等一系列实验研究了在保持晶粒尺寸恒定时（400-500 nm），孪晶密度对纳米孪晶Cu加工硬化行为的影响。结果表明孪晶片层宽度减小（从90 nm到20 nm），材料的流变应力增加值和加工硬化率显著提高，这主要是由于塑性变形过程中高密度孪晶界有效地阻碍位错滑移。然而，纳米孪晶Cu的加工硬化指数随孪晶密度的提高仅从0.22增加到0.30，与晶粒尺寸相同但无孪晶的超细晶Cu相当，但明显高于纳米晶体材料的加工硬化指数。这说明引入高密度生长孪晶界可有效改善其加工硬化能力，但当孪晶片层宽度从90 nm减小到20 nm，亚微米晶粒中所存储的不可动位错密度却无大幅度增加，其原因可能是：（I）孪晶界的二维结构特性限制了位错锁结构在孪晶界上形成；（II）多滑移系之间的位错交互作用难以发生；（III）位错反应生成的Shockley不全位错可在孪晶界上滑移，贡献塑性变形，但对后续位错运动的阻碍作用有限。 4．通过对比孪晶片层宽度相当（~60 nm），而晶粒尺寸分别为450 nm和1500 nm的两种纳米孪晶Cu样品的力学性能，发现屈服强度与晶粒尺寸并无明显关系，而主要取决于孪晶片层厚度。但是晶粒尺寸增大, 样品的延伸率和加工硬化能力明显提高。平均晶粒尺寸为1500 nm时，纳米孪晶 Cu样品延伸率与加工硬化指数分别提高至15%和0.39，远高于晶粒尺寸为460 nm的Cu样品（3.5%和0.21），这是由于大晶粒尺寸增加了位错沿孪晶界方向的剪切通道长度和降低了动态回复。当非均匀塑性变形发生时，孪晶界消失和位错胞亚结构形成主导了大晶粒尺寸纳米孪晶Cu的动态回复过程，导致加工硬化率明显下降。塑性变形量和晶粒尺寸是决定纳米孪晶Cu中位错胞亚结构形成的两个重要因素。 5．通过电阻试验研究了相同晶粒尺寸的电解沉积亚微米晶Cu中孪晶密度对电阻的影响规律。孪晶片层宽度为15 nm时，Cu样品保持高强度的同时，也具有很好的导电性，室温电阻率为1.75 μΩ cm（即导电率相当于97%IACS），略高于粗晶Cu的值（1.69 μΩ cm）。电阻率随孪晶密度减小而增加，当孪晶片层宽度增加至90 nm时，Cu样品的室温电阻率提高到2.12 μΩ cm。纳米孪晶Cu的电阻率明显低于文献中报道的纳米晶体Cu。沉积态Cu样品相对于粗晶Cu增加的电阻率主要是源于晶界对电子的散射，而孪晶形成有效降低了晶界能量和晶界缺陷密度，导致样品的电阻率随孪晶密度增加而减小。室温轧制40%后，具有高密度孪晶的Cu样品室温电阻率显著增加，且孪晶密度越高，电阻率增加值越大。这是由于大量位错驻留在孪晶界和晶界附近而大幅度提高了两者的电阻率。纳米孪晶Cu样品实现了材料的高强度与高导电性结合。 6．采用表面机械研磨处理工艺制备了平均晶粒尺寸为40 nm的纳米晶体316L SS样品。室温单向拉伸实验表明纳米晶体316L SS的屈服强度高达1450 MPa（为粗晶材料的6倍），符合传统的Hall-Petch关系，强化源于高密度晶界对位错运动有效的阻碍。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 137 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16932]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈先华. 纳米孪晶材料加工硬化行为及电学性能的研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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