孪晶片层厚度对纳米孪晶Cu疲劳极限和裂纹扩展行为的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 唐恋 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2009-05-22 |
| 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 | 铜 孪晶界 裂纹萌生 疲劳耐久极限 裂纹扩展 |
| 其他题名 | Lamella thickness dependence of fatigue endurance limit and crack propagation behavior of Cu with nano-scale twins |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 作为工程结构件的一个重要性能指标，材料疲劳性能受到组织结构，力学状态以及环境等诸多因素的影响。晶界是晶体材料一个重要组成单元，极大地影响材料疲劳性能。一方面，晶界可以阻碍位错运动强化材料；另一方面，位错塞积于晶界处又容易引起应力集中优先萌生裂纹。孪晶界作为一种特殊的低能界面，也能有效地阻碍位错运动，具有与普通大角晶界相类似的强化作用。研究发现，高密度纳米尺寸的孪晶既可强化材料，同时还能改善其塑性，这与普通大角晶界的作用截然不同。目前有关孪晶界对材料疲劳性能影响的研究主要集中在片层厚度为微米量级的孪晶中，而关于纳米尺度的孪晶对材料疲劳性能影响的研究还几乎没有。 本工作采用脉冲电解沉积技术制备了晶粒尺寸为500 nm具有高密度孪晶结构的纯Cu样品，通过应力控制的疲劳实验，系统研究了孪晶片层厚度对材料疲劳耐久极限和疲劳裂纹扩展速率的影响，并初步探究了纳米孪晶Cu疲劳损伤和裂纹扩展机理。主要研究结果包括： 1. 利用脉冲电解沉积技术制备出晶粒尺寸相当、孪晶片层厚度不同的两种纯Cu薄膜样品。结构分析表明，沉积态样品微观结构均匀，晶粒多呈等轴状，平均晶粒尺寸为500 nm。多数晶粒内含大量平直的孪晶界面，孪晶片层厚度分布在几十到百纳米不等。统计结果表明两种Cu样品的平均孪晶片层厚度(分别为32和85 nm。 2. 通过室温拉伸实验发现，纳米孪晶Cu样品的强度和塑性均随孪晶片层厚度的减小而提高。拉-拉疲劳实验结果表明，当从85减小到32 nm时，孪晶Cu样品的疲劳寿命可提高十倍以上，且疲劳耐久极限也有较大幅度的提高。分析表明随着孪晶的细化，孪晶界有效阻碍了位错运动，大量位错与孪晶界的交互作用使得材料强度大幅度提高，从而材料的疲劳裂纹形核阻力增加，疲劳寿命延长。此外，随着孪晶细化，材料塑性变形能力提高，其也可通过减小疲劳裂纹扩展速率而提高材料疲劳寿命。 3. 随减小，纳米孪晶Cu样品中疲劳裂纹萌生机制发生改变。当较大时，由于孪晶界上和孪晶内部只能容纳十分有限的塑性变形，后续的变形需由剪切带承担，因此疲劳裂纹容易在这些剪切带上形成；当较小时，高密度孪晶界可容纳大量的位错，承担大量塑性变形，同时孪晶界上的应力集中更容易导致疲劳裂纹在孪晶界形核。裂纹萌生机制的改变说明孪晶片层厚度对材料的塑性变形机制有很大的影响。 4. 通过疲劳裂纹扩展实验，初步探讨了孪晶片层厚度对材料疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明当孪晶片层厚度较小时，样品的疲劳裂纹扩展速率反而要比片层厚度较大的慢，这同在纳米晶体材料中观察到的减小晶粒尺寸裂纹扩展速率增加的趋势截然不同。其原因可能是由于孪晶的二维结构特征使其本身沿其厚度方向成为裂纹扩展的强阻碍，从而引起裂纹偏折，使裂纹扩展的有效驱动力减小，而该偏折作用随孪晶片层厚度的减小而增加。此外，裂纹面粗糙度的增加导致裂纹闭合程度增大也能降低裂纹扩展的有效驱动力。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 74 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17199]  |
| 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 | 唐恋. 孪晶片层厚度对纳米孪晶Cu疲劳极限和裂纹扩展行为的影响[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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