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微米晶/超细晶复合增塑及其机制研究

夏少华  
【摘要】: 纳米晶/超细晶材料(Nanocrystalline/Ultrafine-grained Materials)由于其晶粒细小而具有优异的机械强度,与常规粗晶材料相比可提高5~10倍,然而它们的塑性特别是均匀拉伸塑性极低,根本无法与粗晶态材料相比,这一缺陷严重阻碍了它们在工程领域的应用。研究表明,造成纳米晶/超细晶材料拉伸塑性低的原因主要是纳米晶/超细晶材料中位错变形机制受到抑制,导致加工硬化能力降低,而在拉伸变形时产生的塑性失稳无法得到有效抑制,因此会过早地出现颈缩使材料发生断裂。 目前能够有效解决纳米晶/超细晶材料低塑性缺陷的一种方法是在完全纳米晶或超细晶基体中引入一定体积分数的微米晶,即获得晶粒尺寸双峰分布(Bimodal)组织。由微米晶的高加工硬化能力来抑制基体的塑性失稳,从而在不显著降低强度的情况下有效改善拉伸塑性。利用该方法已成功获得了高强度高塑性的纳米结构纯铜与铝镁合金,特别是具有晶粒尺寸双峰分布组织的纯铜同时具备接近于完全纳米晶纯铜的强度(430MPa)以及接近粗晶铜的拉伸塑性(60%)。虽然已经有一些成功提高塑性的例子,但这一方法面临如下主要问题:(1)微米晶通过部分再结晶方法获得,对退火工艺十分敏感,组织可重复性低;(2)已有工作仅探讨了微米晶区的体积分数这一参数对双峰分布组织力学行为的影响,是否还存在其它影响力学行为,特别是决定均匀拉伸塑性的关键参数?(3)存在反例,如Chokshi等人在具有双峰分布组织的电沉积纳米晶镍中发现了强度与拉伸塑性随粗晶体积分数增加而持续减小的现象;同时,常规材料的混晶组织往往会恶化性能,而双峰分布组织作为一种典型的混晶组织为什么可以改善塑性来优化性能,其中原因仍不清楚。 本文主要围绕上述三个问题展开工作,采用经典物理冶金组织控制与剧烈塑性变形相结合的方法,获得组织参数可控的双峰分布组织;采用组织分析、力学性能分析以及微区性能表征的方法,分析影响双峰分布组织塑性的关键材料参数;采用细观力学模型分析,建立关键材料参数与双相复合组织塑性提高效果的关系。研究的主要创新点和结果如下: (1)提出了一种制备具有晶粒尺寸可控双峰分布组织材料的新方法。以共析体系合金为例,首先选择典型的亚共析体系合金,通过剧烈塑性变形使组织细化至亚微米或纳米尺度,随后进行退火使先共析相内的晶粒长大到微米级,而共析相内的纳米晶/超细晶组织则由于两相晶界交互钉扎而保持原始尺寸。剧烈塑性变形前的先共析+共析双相组织就原位转变成纳米晶/超细晶+微米晶的晶粒尺寸双峰分布组织。通过调整剧烈塑性变形前的先共析相的体积分数与空间分布,就可以控制剧烈塑性变形和退火后微米晶区的体积分数与空间分布。 (2)通过实验实现了用上述方法制备了参数可控的双峰分布组织。①根据杠杆定律选择了不同亚共析成分的锌铝系、铁碳系及铜铝系合金作为实验材料,首先实现了对先共析相体积分数的定量控制;②结合相图和相变动力学数据制定相变处理工艺,在铜铝与锌铝共析体系合金中实现了对先共析相尺寸的控制;③采用高压扭转变形(HPT, High Pressure Torsion)与等径角变形(ECAP, Equal Channel Angular Pressing)的方法,在锌铝、铁碳及铜铝共析体系合金中实现了组织的完全纳米化/超细化,试样的显微硬度与拉伸强度均大幅提高;④利用退火处理,在三种共析成分合金系中获得了晶粒尺寸可控双峰分布组织,从而解决了组织可重复性的低问题。尤其在铜铝系合金中成功获得了微米晶区体积分数分别为0%、20%、40%,平均尺寸分别为20μm、100 gm的一系列双峰分布组织。 (3)实验表明除了微米晶区体积分数外,影响双峰分布复合组织材料塑性的关键参数还有微米晶区的尺寸(或间距)、微米晶区的加工硬化因子。在铜铝系合金中通过微观组织表征、拉伸力学性能测试以及纳米压痕分析等手段,系统研究了双峰分布组织参数与宏观力学行为之间的关系,总结出对双峰分布组织拉伸力学行为产生影响的三个关键参数:微米晶区的体积分数、平均尺寸及加工硬化因子。 (4)建立了双相复合增塑的细观力学模型,获得了双峰分布组织有效增塑的参数窗口。在前面获得三个关键材料参数对双峰分布组织力学行为影响的实验规律的基础上,结合局部变形带扩展与增殖的复合增塑机制建立了双相复合增塑细观力学模型。利用该模型对本文工作及前人实验中几种典型双峰分布组织材料(铜铝合金、铁碳合金、纯铜及铝镁合金)拉伸应力-应变行为的计算结果与实验值吻合较好;同时还利用模型计算出在达到某一设定的塑性指标(如均匀延伸率ε_ц≥5%)时双峰分布组织的有效增塑参数窗口。利用增塑参数窗口阐明了双峰分布组织材料是否能有效增塑的原因,为双相复合增塑材料的设计提供了基础。


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