严重塑性变形过程中纯铜与铜铝合金的微观结构演化及其力学行为研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 安祥海 |
| 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 | 张哲峰 ; 吴世丁 |
| 关键词 | 严重塑性变形 纯Cu和Cu-Al合金 层错能 微观结构演化 超细晶和纳米晶 强度和塑性 疲劳强度 Severe plastic deformation (SPD) Pure Cu and Cu-Al alloys Stacking fault energy (SFE) Microstructure evolution Ultrafine grained (UFG) and nanostructure (NS) Strength and ductility Fatigue strength. |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | "利用严重塑性变形(Severe Plastic Deformation, SPD)方法制备超细晶和纳米晶材料受到广泛的关注，其基本的物理原理是利用塑性变形通过位错滑移和变形孪生两种基本的塑性变形机制将初始粗大晶粒细化至超细晶和纳米晶尺度。根据传统的晶体塑性变形理论可知，层错能是影响fcc材料微观变形机制最主要的因素之一。因此，本论文选取纯Cu和Cu-Al合金为模型材料，以层错能为切入点，利用两种应用最为广泛的SPD技术——等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)和高压扭转(High-Pressure Torsion, HPT)，系统地研究了在SPD过程中，层错能对材料变形机制、微观结构演化、晶粒细化以及所得超细晶和纳米晶材料的拉伸性能与疲劳强度的影响。本文试图通过对这些实验结果的分析和讨论，加深对上述问题的理解，并拓展对超细晶和纳米晶金属材料组织与力学性能关系的理解，同时提供改善超细晶和纳米晶材料的强韧化以及高周疲劳强度的策略，进一步对超细晶和纳米晶材料组织和性能的控制、优化提供具有一定价值的参考。本论文主要的研究结果如下： (1) 经过一道次ECAP挤压后，随着纯Cu和Cu-Al合金层错能的降低，材料的微观变形机制逐步从位错滑移转变为变形孪生，位错的滑移方式从波状滑移转变为平面滑移，而微观剪切带从“铜型”转变为“黄铜型”，并在承担塑性变形方面起着越来越重要的作用；经多道次ECAP挤压后，随层错能的减低，材料的晶粒细化机制逐步从位错分割机制转变为孪晶碎化机制，伴随这一变形机制的转变，材料的平均晶粒尺寸从超细晶范围进一步细化至纳米晶尺度。结合之前研究分析表明，具有中等层错能的纯Cu和低Al含量的Cu-Al合金的变形机制和微观结构对于外部SPD变形条件更加敏感。 (2) 由于HPT变形的不均匀性，纯Cu和Cu-Al合金的样品中心区域的硬度值较低，这种不均匀性随着HPT转数的增加而逐步减小。通过引入均匀性因子a和获得均匀结构所需的饱和应变量发现，材料微观结构均匀性的演化随层错能降低而出现一个转变。这主要归因于SPD过程中，材料的微观结构演化机制从中高层错能材料的动态回复主导转变为低层错能材料的孪晶碎化主导，因此，由于其回复率低且难以形成变形孪晶，具有中等层错能的材料最难获得均匀结构；不论采取何种SPD方式，材料的平均晶粒尺寸均随着层错能的降低而降低，但是晶粒尺寸对于层错能的依赖性，却随外部变形条件剧烈程度的增加而有所降低。此外，在具有极低层错能的Cu-16at.%Al合金的超细晶粒中形成五次孪晶，并证实在其多次孪晶节点处可以发射不全位错形成变形孪晶，两者可以说明即使在纳米尺度，层错能仍然是影响材料变形机制的一个关键因素。 (3) 随着层错能的降低，利用不同道次ECAP和HPT处理的纯Cu和Cu-Al合金的强度都有显著的提高，结合之前研究发现，其强度随着外部变形条件剧烈程度的提高会得到进一步提升，而且具有中等层错能的纯Cu和低Al含量的Cu-Al合金的强度对于外部变形条件更加敏感；利用不同道次ECAP处理的Cu-Al合金的均匀延伸率随着道次的增加和层错能的降低而逐步提高，而利用HPT处理的纯Cu和Cu-Al合金，由于具有极低层错能的Cu-16at.%Al合金的晶粒过于细小，无法承担更多的塑性变形，容易发生塑性失稳，因此材料的拉伸塑性随着层错能的降低呈现先增后降的趋势；通过对4道次ECAP和5转HPT变形后的材料进行退火处理发现，随着Al含量的增加或者层错能的降低，对于具有均匀微观结构的纳米晶Cu和Cu-Al合金，材料的热稳定性有所提高；更为重要的是，材料的强塑性匹配随着层错能的降低得到了明显的提高。 (4) 随着纯Cu和Cu-Al合金中层错能的降低，纳米晶的晶粒尺寸明显减小，从而显著提高了其拉伸强度，并导致Basquin公式中的疲劳强度系数得到相应提升；而且纳米晶材料的两种最主要的疲劳损伤机制——微观结构不稳定性和剪切带，随着层错能的降低均得到明显的改善，并由此提高了Basquin公式中的疲劳强度指数。以上两点共同导致纳米晶纯Cu和Cu-Al合金的疲劳强度随着层错能的降低得到显著提高。然而，尽管外部变形剧烈程度的增加使得高纯纳米晶Cu和高Al含量的纳米晶Cu-Al合金的拉伸强度得到进一步的明显提高，但是在疲劳过程中，受限于高纯纳米晶Cu微观结构的不稳定性和高Al含量纳米晶Cu-Al合金中极为细小的晶粒使得晶界活动容易启动，导致其疲劳强度并不能随之得到显著的进一步改善。" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64440]  |
| 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 | 安祥海. 严重塑性变形过程中纯铜与铜铝合金的微观结构演化及其力学行为研究[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
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。