论文部分内容阅读
传统的强化方法使金属材料获得高强度的同时往往伴随韧性降低,呈现强度-韧性倒置关系。尤其是对于高强度材料,低塑、韧性的问题尤为突出。例如,当晶粒细化至纳米尺度时,纳米晶体金属材料体现出超高的屈服强度和疲劳强度,但其塑性变形能力极为有限、裂纹扩展阻力低。如何通过多尺度结构设计,改善纳米结构材料的塑性,以获得断裂韧性等优异综合性能是实现其工程应用的关键。研究发现,在Cu薄膜材料中通过引入高密度纳米孪晶结构可同时获得高强度和良好塑性,利用纳米尺度孪晶结构强韧化材料为发展新一代高强高韧金属材料提供了契机。但目前有关纳米孪晶材料的研究多集中在薄膜材料中,如何制备三维块体纳米孪晶材料是研究其断裂韧性及进而实现工程应用的必要条件。
近期通过动态塑性变形技术(Dynamic Plastic Deformation,DPD),已在中、低层错能金属中成功地制备块体纳米孪晶结构材料,这为深入研究块体纳米孪晶结构样品的断裂韧性及韧化机理提供了技术基础。本工作利用DPD技术制备不同变形量的块体纳米孪晶/纳米晶混合结构Cu样品,采用传统的三点弯曲实验研究了含有不同体积分数纳米孪晶的Cu样品的断裂韧性,并分析了断裂韧性与各微观结构组织(尤其是纳米孪晶结构)的关系。根据CuAl层错能低的特点,利用DPD技术制备块体纳米孪晶结构CuAl合金,研究其微观结构及力学性能；通过分析纳米孪晶对强度和断裂韧性的影响,探讨纳米孪晶强韧化机制在工程合金中的应用。通过室温和液氮温度下单向拉伸实验和应变速率跳跃实验研究了温度对力学性能的影响,通过温度效应分析纳米孪晶结构的塑性变形机制。主要获得以下研究结果:
1.DPD-Cu中,随着变形量增加,纳米孪晶体积分数增加,其强度和断裂韧性同时增加,这不同于传统强化方法使强度提高同时导致韧性降低的规律。断口表现出深大韧窝、中等韧窝和细浅韧窝三类形态,其形成分别与微观结构中纳米孪晶、位错及纳米晶粒三类微观结构组元密切相关。深大韧窝面积分数随纳米孪晶体积分数的增加而增加,对断裂韧性贡献最大。深大韧窝底部发生显著应力导致的再结晶现象,在断裂时有效地吸收能量,这也充分说明了由纳米孪晶结构导致的深大韧窝可有效提高其韧性。
2.DPD CuAl的微观结构特征是纳米孪晶/纳米晶体的混合结构,纳米孪晶改善了单一纳米晶结构,单向拉伸实验反映出局部具有很高的塑性变形,三点弯曲结果显示其断裂韧性随着强度的增加而增加。纳米孪晶显著影响中等韧窝形成,改变了单一纳米晶断口上的细浅韧窝分布,提高了断裂韧性。结果表明引入高密度的纳米孪晶是获得高强高韧工程材料的有效途径。
3.由于DPD过程中纳米孪晶界储存了高密度位错,DPD Cu室温拉伸曲线呈现明显的屈服点现象,且纳米孪晶体积分数越高,屈服点现象越明显。但由于低温下位错回复受到抑制,使液氮温度下DPD Cu强度、塑性及韧性都得以提高,屈服点现象消失。相对亚微米晶/纳米晶样品,DPD Cu的激活体积呈现出不同的温度效应。