铜基层状强韧化材料的制备及力学行为的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘华赛 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张广平 |
| 关键词 | 层状材料 微观结构/力学性能衬度 强度 塑性 疲劳 Laminated composite Microstructure/Mechanical-property contrast Strength Ductility Fatigue |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | "材料强度与塑性的倒置关系一直是制约高性能金属结构材料发展的关键因素。大量的研究表明，引起超细晶和纳米晶材料塑性下降的根本原因是由于随着材料微观结构尺度的降低，其应变硬化能力逐渐丧失，导致塑性失稳易于在材料中过早产生。因此，如何阻止或者延迟超细尺度金属材料中过早局部颈缩或者剪切带的发生成为提高高强材料塑性的关键。本研究提出了两种超细尺度金属强韧化的方法，通过大压下量的冷轧焊合方法分别制备了铜/铝和铜/铜两种铜基层状复合材料，结合不同退火工艺，调制了复合材料的微观结构和界面结合特性，系统地研究了两种层状复合材料中经不同累积轧制应变的铜层的微观结构与微织构演化规律、拉伸强度与塑性、疲劳抗力与损伤行为等，探讨了两种材料的强韧化机理。 采用冷轧焊合及随后退火处理的方法制出了界面结合紧密的铜/铝层状复合材料。经过三道次的冷轧焊合后，铜层晶粒尺寸可细化到1.88 mm，并呈现出拉长位错胞，等轴位错胞和超细晶的混合结构。随着退火温度的升高，铝层被逐渐消耗生成金属间化合物，金属间化合物层的厚度逐渐变厚，直至280°C退火时，铝层被完全消耗形成Al2Cu和Al4Cu9的混合金属间化合物层。铜/铝层状复合材料的界面强结合度随退火温度的升高不断增加。在相同强度水平下，铜/铝层状复合材料的塑性明显高于相同条件下制备的冷轧纯铜；随着界面结合强度的增加，复合材料的塑性不断提高。铜/铝层状复合材料的塑性可以通过较薄的铝层及结合强度较好的铜/铝界面阻止或推迟较厚铜层的局部颈缩而得到提高。为此，提出了一种通过约束颈缩的方法获得高强高韧金属层状材料的新思路。 提出了一种“同材层状化”的新方法，通过冷轧焊合加工及随后退火处理，在具有单一晶粒尺度结构的纯铜中制备出具有明显晶粒尺度层状衬度的新型层状复合材料。微观结构研究表明，不同道次轧制的铜层再结晶过程均为不连续再结晶过程；在回复与再结晶过程中，它们始终保持着明显的微观结构衬度。经过280 °C保温5小时的退火，Cuhard-460/Cusoft-100 层状复合材料中形成了明显的晶粒尺度层状衬度，其中8道次冷轧铜层为平均晶粒尺寸600 nm的超细晶层，3道次冷轧铜层为平均晶粒尺寸5 mm的细晶层。随着轧制道次的增加，轧制织构所占的比例逐渐升高。3道次和8道次冷轧铜层的轧制织构比例最终分别达到了~65%和~90%，其中S织构和Brass织构占主要地位，Copper织构的含量不高。 通过冷轧焊合和适当的退火处理，获得了强度-塑性匹配良好的Cuhard-460/Cusoft-100层状复合材料，从而实现了在同一种材料中通过微观结构/力学性能的层状化（MPL）来提高材料强韧性的设计思想。拉伸实验表明，MPL-Cu/Cu复合材料的组元层微观结构和力学性能上的差异对材料实现高强度高塑性具有显著的影响。与3道次和8道次冷轧铜以及MPL-Cusoft/Cuhard复合材料相比，MPL-Cuhard/Cusoft复合材料具有更加优异的强度-塑性匹配。原位拉伸实验及SEM观察表明，MPL-Cuhard/Cusoft复合材料中薄的相对较软的铜层（3道次冷轧铜层）可以阻止厚的相对较硬的铜层（8道次冷轧铜层）中剪切带在厚度方向上穿过整个样品横截面，使厚的相对较硬的铜层中形成多重剪切带，从而延迟或抑制过早的塑性失稳，使MPL-Cuhard/Cusoft复合材料获得更高的延伸率。 冷轧态纯铜、铜/铝和铜/铜层状复合材料在相同的抗拉强度水平下，铜/铜层状复合材料在高周疲劳区具有较高的疲劳强度。局部界面脱层导致的裂纹偏折与扩展延迟以及复合材料内层新裂纹的再萌生是复合材料具有高疲劳性能的主要原因。随着退火温度的升高，三种材料的应力幅-疲劳寿命曲线趋于重合，它们的疲劳极限也趋于一致。具有晶粒尺度层状衬度的MPL-Cu/Cu复合材料的疲劳性能与冷轧铜相比同样得到提高；同时，MPL-Cuhard/Cusoft的疲劳性能要明显高于MPL-Cusoft/Cuhard的疲劳性能，这种在单一材料中引入晶粒尺度/力学性能的层状衬度使疲劳裂纹无法自由扩展，使得材料内层中疲劳裂纹发生局部偏折及扩展延迟，从而提高了MPL-Cu/Cu复合材料的疲劳抗力。" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64437]  |
| 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 | 刘华赛. 铜基层状强韧化材料的制备及力学行为的研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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