纳米晶镍力学性能的实验研究

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面心立方结构纳米金属具有与多晶不同的塑性变形特征,如较高的应变速率敏感性、发生于室温的蠕变以及应力诱导的晶粒长大。利用纳米晶镍对以上问题进行了初步的实验研究和分析。选用电解沉积法制备的纳米晶镍(平均晶粒尺寸20 nm),进行应变速率1.5×10-6s-1的拉伸变形,由扫描电子显微镜观察断口形貌特征;进行不同保载时间的硬度测试,利用扫描探针显微镜及透射电子显微镜观察压痕表面形貌及变形组织特征;针对原始态、退火态及冷轧态样品,进行不同保载时间及应变速率的纳米压入测试;此外,进行加卸载次数为10次的梯形加卸载纳米压入测试。得出主要结论如下:   ⑴在应变速率1.5×10-6 s-1拉伸时,纳米晶镍的屈服强度为950MPa,断裂强度为1430MPa,拉伸伸长率为5.8%,具有应变硬化特征。断裂表面主要形貌特征为韧窝,韧窝尺寸为100.8-189.6nm。   ⑵显微压入时,硬度值随保载时间增加而降低,如保载10s和2000s时对应的硬度值分别为4.9GPa和2.85GPa。透射电镜观察表明,保载10 min时,压痕周围平均晶粒尺寸为111nm,硬度降低可归因于压入过程中的晶粒长大。   ⑶针对原始态样品进行纳米压入测试时,保载阶段位移随时间延长而增加,发生蠕变变形;同时,纳米硬度值由保载10 s时的6.2 GPa降低到2000s时的4.6GPa。蠕变应力指数由蠕变初期的2增加为稳态阶段的8,表明塑性变形机理由晶界滑动转变为位错滑移。退火态及冷轧态样品表现出类似的蠕变行为,同时,相同实验条件下三种状态样品纳米硬度由低到高排序为原始态、退火态和冷轧态。   ⑷纳米晶镍在单次加卸载纳米压入测试时,表现出明显的应变速率敏感性,纳米硬度值随应变速率的增加而提高;其应变速率敏感系数m为0.058。多次加卸载测试中,材料较单次测试显示出软化。
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