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铜双晶体的循环变形行为与疲劳损伤机制

张哲峰  
【摘要】:近三十年来,单晶体和多晶体循环变形行为的研究已进行得十分深入,现已认识到单晶体与多晶体的疲劳行为存在较大的差别。为了揭示晶界和组元晶体的作用,本文进行了铜双晶体和含小角度晶界柱状铜多晶体的循环变形。采用纯度为99.999%的电解铜,利用Bridgman方法在水平晶体生长炉中生长出大尺寸铜双晶体板(200×50×10mm~3),利用线切割技术制备出具有平行、垂直、倾斜晶界和镶嵌晶粒铜双晶体及含小角度晶界铜多晶体疲劳试样,在Shimadzu疲劳试验机上进行循环变形实验。借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子通道衬度(SEM-ECC)技术观察了表面滑移形貌、循环饱和位错组态和疲劳裂纹萌生,总结了双晶体的循环应力-应变响应及其疲劳损伤机制。 比较了平行晶界[(?)79]//[(?)45]铜双晶体(RB)、组合双晶体(CB)及其组元晶体G1[(?)79]、G2[(?)45]的循环变形行为,结果表明,两个组元晶体及组合双晶体CB的CSS曲线均出现明显的平台区,而双晶体RB的CSS曲线则没有明显的平台区存在,其循环饱和应力高于组合双晶体CB。借助光学显微镜,在双晶体RB晶界附近观察到以次滑移及形变带为主的晶界影响区,随应变幅升高,晶界影响区的宽度增加,主滑移与次滑移的交互作用变得强烈。通过引入一双晶体的取向因子Ω_B以及结合晶界影响区对双晶体的作用,计算了晶界影响区的平均饱和应力及晶界对两侧组元晶体滑移带开动的平均阻力,提出了平行晶界双晶体的晶界强化模型。而对于含有小角度晶界的柱状铜多晶体,其CSS曲线存在一明显的平台区,且平台饱和分解切应力约为29.0-29.4MPa,与理想单滑移取向铜单晶体相类似,表明在循环变形过程中小角度晶界对该柱状铜多晶体不产生明显的晶界强化效应。SEM-ECC观察揭示了驻留滑移带和位错墙能够连续地穿过小角度晶界。 [(?)913]⊥[(?)79]和[(?)23]⊥[(?)35]垂直晶界铜双晶体的CSS曲线均表现出不同程度的平台区,其中[(?)913]⊥[(?)79]双晶体的CSS曲线具有两个饱和轴向应力基本不变的平台区,而[(?)23]⊥[(?)35]双晶体的CSS曲线只在低应变范围内出现一平台区。表面观察表明,[(?)913]⊥[(?)79]双晶体在所选择的塑性应变范围内,两个组元晶体均只开动了一组滑移系B4(111)[(?)01],晶界附近也未发现有次滑移系开动,表明晶界的存在并不总是导致次滑移系开动。同时发现在两组双晶体中,由于组元晶体取向的差别,两个组元晶体将分别承担不同的塑性应变。SEM-ECC技术对[(?)913]⊥[(?)79]双晶体饱和位错组态的观察揭示了其CSS曲线上存在两个平台区的原因。结合[(?)34]⊥[(?)34]、[(?)913]⊥[(?)79]、[(?)34]⊥[(?)34]及[(?)913](?)[(?)79]垂直晶界铜双晶体CSS曲线的特点,讨论了组元晶体取向对双晶体循环变形行为的影响。


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