动态塑性变形导致的纳米结构纯铜微观结构及力学性能研究

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	动态塑性变形导致的纳米结构纯铜微观结构及力学性能研究
	李玉胜
学位类型	博士
导师	卢柯
	2008-05-24
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料学
关键词	纳米材料动态塑性变形纯cu 微观结构晶粒细化机制变形孪晶 Zener-hollomon参数力学性能退火
摘要	纳米晶和超细晶材料由于结构独特、性能优异而倍受关注，塑性变形技术是制备该类材料的重要方法之一，但目前的各种塑性变形方法很难获得高纯、致密的块体纳米晶体材料。最近通过动态塑性变形技术（DPD）可制备出具有高密度纳米孪晶的块体纳米结构纯铜样品，其屈服强度超过600 MPa以上。对于DPD过程中纯铜样品微观结构演变以及纳米晶粒的形成机制，尚缺乏深刻的认识和理解。本工作利用低温 (100K) DPD技术制备出纳米结构纯铜样品。通过不同应变速率和变形温度下的变形，制备出不同结构和力学性能的纳米晶/超细晶纯铜样品。通过X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨电子显微镜（HREM）等手段对不同样品的微观结构进行表征。利用微观硬度测试和单向拉伸等手段对不同样品的力学性能进行测试。用示差扫描量热仪 (DSC) 对纳米结构纯铜样品的热稳定性进行了表征。主要研究结果如下： 1．纯铜在低温 (100K) DPD下的结构演化过程包括以下三个主要阶段： (i) 位错滑移。通过位错增殖、合并和湮灭等位错活动形成胞状位错结构，位错胞尺寸约在几百纳米； (ii) 机械孪生。高密度孪晶界将初始粗晶体细分成纳米尺度的孪晶/基体层片束结构。孪晶/基体片层的平均厚度（），与变形量无关，在45~50 nm之间； (iii) 剪切带。高密度孪晶束区域发生局部塑性变形，即剪切带。其密度随变形量的增加而不断增加。变形量达到 = 1.5后，新的孪晶束不断形成，同时已形成的孪晶束被剪切带不断破坏，导致样品内部孪晶比例达到动态平衡，稳定在33 %左右。 2．低温 (100K) DPD处理到 = 2.1时，纯铜样品的微观结构由33 %（体积）的孪晶（平均孪晶/基体片层厚度为49 nm）和67 %的纳米晶粒（平均短轴晶粒尺寸为78 nm）组成。这些纳米晶粒有三种不同的来源, 即三种不同的协调塑性变形方式导致了三种不同的纳米晶粒形成机制，分别为: (i) 孪晶/基体层片束的碎化。位错墙沿短轴方向将孪晶/基体片层束细分成延长状的纳米结构块，这些具有特殊取向的纳米结构块进一步发展、演变成随机取向的纳米晶粒，平均短轴晶粒尺寸为47 nm。此类纳米晶粒占样品总体积的30 %； (ii) 剪切带内部的组织演化。剪切带内部组织演化成平均短轴晶粒尺寸75 nm的纳米晶粒，且剪切带内部的平均晶粒尺寸随剪切带宽化而增大，可能和剪切带内的大应变驱动和温升效应有关。此类纳米晶粒占样品总体积的15 %； (iii) 位错结构的演化。通过位错增殖、合并和湮灭形成位错胞状结构，其进一步演化为具有大角晶界的超细晶粒，平均短轴晶粒尺寸为121 nm。此类晶粒占样品总体积的22 %。 3．通过不同应变速率和变形温度条件下的塑性变形，即不同Zener-Hollomon (Z)参数的变形，可以制备不同微观结构和力学性能的纯铜样品。研究结果表明： (i) 当lnZ参数增大到~ 30时，样品内部出现变形孪晶，且孪晶比例随Z参数的增大而增大。孪晶/基体片层的平均厚度和Z参数无关，约为50 nm； (ii) 随Z参数的增大，平均晶粒尺寸减小。当lnZ参数从22增大到66时，纯铜样品的平均短轴晶粒尺寸（D）从320 nm 降低到66 nm。一方面Z参数提高导致样品内部位错密度增加，由位错结构演化而来的晶粒尺寸减小；另一方面，Z参数的提高导致样品内变形孪晶的比例增加，通过孪晶碎化和剪切带切割孪晶后演化而来的晶粒比例上升，而这部分晶粒的尺寸明显小于位错结构演化而来的晶粒尺寸，从而降低了样品的整体晶粒尺寸； (iii) 随Z参数的增大，屈服强度增加。当lnZ参数从22增大到66时，变形铜样品的拉伸屈服强度从390 MPa上升到610 MPa。一方面Z参数提高，样品的平均短轴晶粒尺寸（D）减小，从而提高了晶界对样品强度的贡献; 另一方面， Z参数增加导致样品中孪晶比例提高，由于在所有变形样品中< D，单位体积的纳米孪晶可以提供更高的屈服强度，因而孪晶比例的提高增加了样品的整体屈服强度。研究结果显示，在变形样品微观结构和力学性能研究中引入Z参数对于利用塑性变形方法制备纳米结构、超细晶结构材料，发展新的塑性变形技术具有现实的指导意义。 4．对DPD纳米铜和准静态压缩（QSC）超细晶铜样品进行不同条件的退火处理，研究退火对两类样品微观结构及力学性能的影响。研究结果表明： (i) QSC超细晶铜的热稳定性高于DPD纳米铜，这是由于DPD纳米铜的储存能 (1.7 J/g) 高于QSC超细晶铜 (0.8 J/g), 而且DPD纳米铜晶粒尺寸 (78 nm)远小于QSC超细晶铜的晶粒尺寸 (290 nm)，使DPD纳米铜具有更大的形核驱动力, 因而在较低温度下发生再结晶。 (ii) 退火导致变形样品内部发生再结晶，从而使它们的塑性提高、强度降低。DPD纳米铜样品的强度-塑性匹配好于QSC超细晶铜样品。均匀延伸率相同时，DPD纳米铜的屈服强度比QSC超细晶铜样品的高60 MPa左右。原因在于（退火）达到相同体积比例再结晶晶粒时(意味着相同均匀延伸率)，DPD纳米铜样品内部更细小的再结晶晶粒及残留的变形孪晶使其具有更高的强度。 (iii) 实验结果表明两类样品的均匀延伸率由样品内部再结晶晶粒体积比例决定，只有当再结晶晶粒体积比例达到80 %以上, 样品的均匀延伸率方能明显提高。
页数	123
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17023
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	李玉胜. 动态塑性变形导致的纳米结构纯铜微观结构及力学性能研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2008.