【摘要】：制備納米晶與超細晶微觀組織的根本目標是希望在這類材料中獲得高的屈服強度和塑性(即塑性失穩(wěn)前的拉伸均勻伸長率)匹配。然而，這類材料的強度和塑性通常成倒置關(guān)系，即強度高但塑性差(均勻伸長率一般小于5%)，這一特點限制了納米晶與超細晶組織的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。提高加工硬化能力，抑制早期塑性失穩(wěn)是提高均勻拉伸伸長率的有效途徑。迄今，已報道了多種提高應(yīng)變硬化、均勻塑性的策略，例如在均質(zhì)納米晶或超細晶微結(jié)構(gòu)中引入納米孿晶、析出相/第二相，形成晶粒尺度的雙峰/多峰分布，以及發(fā)生塑性變形誘導的相變/孿生變形等。最近的研究表明，晶粒尺度呈現(xiàn)梯度分布的納米晶結(jié)構(gòu)(GNS, gradient nanograined structure)是提高納米晶塑性的新穎途徑，然而對梯度結(jié)構(gòu)的屈服機理與應(yīng)變硬化機理的研究還不深入。所以，研究并揭示多尺度晶粒結(jié)構(gòu)的力學行為、加工硬化以及微觀結(jié)構(gòu)機制，具有重要的科學意義和應(yīng)用價值。 本文選取商業(yè)純鎳(Ni＞99.6%)作為模型材料，利用塑性變形技術(shù)制備了兩種納米晶結(jié)構(gòu)，即利用表面機械研磨處理(SMAT)獲得晶粒尺度為梯度分布的納米晶結(jié)構(gòu)，利用等通道角擠壓(ECAP)+退火獲得軟/硬微區(qū)的復合微觀結(jié)構(gòu)；通過準靜態(tài)單軸拉伸測試、顯微硬度測試和循環(huán)應(yīng)力松弛測試等，研究和分析塑性變形行為和力學性能；利用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進行微觀結(jié)構(gòu)表征，最后分析并闡明了兩種微觀結(jié)構(gòu)的塑性變形機理和應(yīng)變硬化機理。論文的主要結(jié)論如下：1.利用SMAT技術(shù)獲得了GNS-Ni。準靜態(tài)拉伸實驗結(jié)果表明，GNS-Ni的屈服強度取決于梯度層的硬度及其分布，GNS-Ni的屈服強度范圍在260-450MPa之間，為粗晶Ni (70MPa)的4-6倍；相比CG-Ni45%左右的均勻塑性，GNS-Ni的均勻塑性為13%-35%。 觀察到GNS-Ni存在四種屈服現(xiàn)象，即1)連續(xù)屈服(continuous yielding)，即變形時應(yīng)力不斷增加，產(chǎn)生連續(xù)的應(yīng)變硬化；2)瞬態(tài)應(yīng)變硬化(transienthardening)，即材料屈服后，應(yīng)力緩慢上升，應(yīng)變硬化率產(chǎn)生平臺，最終進入連續(xù)的應(yīng)變硬化；3)屈服點(yield point)，即進入塑性變形后，出現(xiàn)應(yīng)力降低，但材料不失穩(wěn)，在很小的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力上升，重新獲得應(yīng)變硬化能力；4）屈服降(yield drop)即進入塑性變形后，出現(xiàn)應(yīng)力降低，材料迅速失穩(wěn)斷裂，無應(yīng)變硬化能力。其中，首次在梯度結(jié)構(gòu)材料中觀察得到屈服點現(xiàn)象。 拉伸變形前后的顯微硬度測試結(jié)果表明，拉伸前材料整體呈硬度梯度分布，表層硬度高，心部硬度低。拉伸后材料整體硬度均得到提升，但心部硬度的上升高于梯度表層，因此，梯度表層和心部硬化能力的適當保留，使梯度樣品獲得了良好的強度-塑性匹配。 循環(huán)應(yīng)力松弛實驗結(jié)果表明，相比粗晶(CG, coarse grain)在變形過程中可動位錯密度逐漸降低，yield point的梯度結(jié)構(gòu)在變形過程中可動位錯密度的趨勢為先下降后上升，結(jié)合經(jīng)典的位錯理論分析可知，梯度結(jié)構(gòu)在拉伸變形的過程中，可動位錯不斷形成且密度不斷增加，產(chǎn)生加工硬化，有效抑制材料的變形局部化，從而提高均勻塑性。 2.利用ECAP技術(shù)對1道次制備了超細晶Ni，透射電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，原始超細晶鎳具有層片狀結(jié)構(gòu)特征，片層厚度約為300-500nm。對ECAP擠壓后樣品進行不同溫度、不同時間的退火處理。 準靜態(tài)拉伸實驗結(jié)果表明，原始UFG-Ni的屈服強度為570MPa，為粗晶的近6倍，但只有1%的均勻拉伸伸長率。經(jīng)427℃54h退火后，屈服強度與原始超細晶相比幾乎保持不變，卻獲得了5%的均勻拉伸伸長率。477℃8h退火后，材料的屈服強度降為320MPa，但獲得了17%的均勻拉伸伸長率，具有良好的綜合力學性能。 電子背散射衍射和透射電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，兩種退火制度均使材料獲得了軟-硬微區(qū)結(jié)構(gòu)，再結(jié)晶晶粒呈島狀分布于變形態(tài)晶粒中。477℃8h退火組織，再結(jié)晶晶粒尺寸(＞10μm)和體積分數(shù)較大(50%左右)；427℃54h退火組織，再結(jié)晶晶粒體積分數(shù)較小（10%左右）。材料獲得良好的力學性能與變形過程中軟區(qū)和硬區(qū)間的應(yīng)變分配有關(guān)。
【圖文】：

圖 1.1 兩種典型的 SPD 技術(shù)示意圖：（a）ECAP，（b）SMATFig. 1.1 Two typical SPD schematic diagram: (a) ECAP, (b) SMAT與湮滅）趨于平衡。對于大多數(shù)中、高層錯能的金屬或合金，其晶粒細化機制通常錯界面對原始粗大晶粒的分割，即位錯分割機制。而對于低層錯能的金屬或合金，變量下原始粗大晶粒除了位錯分割機制外，還被孿晶界面不斷分割，在孿晶和位錯互作用下，將晶粒細化，即孿晶細化機制。.2 表面機械研磨技術(shù)表面機械研磨處理(SMAT, Surface Mechanical Attrition Treatment)是一種表面納米術(shù)。SMAT 技術(shù)與傳統(tǒng)體相 SPD 技術(shù)的區(qū)別在于，前者是通過高應(yīng)變速率和應(yīng)變傳現(xiàn)表層晶粒細化，獲得梯度結(jié)構(gòu)；而后者的應(yīng)變速率較低，實現(xiàn)材料整體的細化，均質(zhì)結(jié)構(gòu)。SMAT 技術(shù)的研究開展較早， Tao[34]等于 1999 年利用噴丸技術(shù)實現(xiàn)了表面納米化。圖 1.1(b)為表面機械研磨加工過程示意圖，將樣品固定于真空容器內(nèi)

圖 1.2 （a）SMAT 處理后沿樣品深度方向的應(yīng)變及應(yīng)變率分布，（b）Fe 經(jīng) SAMT 處理后晶粒尺寸及取向角沿深度分布[35]Fig. 1.2 (a) Distribution of strain and strain rate along the depth of sample treated by SMAT, (b) Thedistribution of grain size and misorientation along the depth of SMAT Fe[35]SMAT 加工樣品的過程中，彈丸從不同角度不斷沖擊樣品表面，使得材料表面發(fā)生嚴重的塑性變形，隨著時間的延長，，應(yīng)變不斷積累，會使得樣品表面的粗晶晶粒不斷細化。同時從樣品厚度方向上看，從表層到次表層再到心部，由于存在應(yīng)變梯度，使得材料沿厚度方向的微觀結(jié)構(gòu)特別是晶粒尺寸呈現(xiàn)出梯度分布，即從表層至心部，晶粒尺寸由小到大。如圖 1.2 所示，經(jīng) SMAT 處理后，樣品沿厚度方向從表層至心部的應(yīng)變、應(yīng)變率及晶粒尺寸分布情況。（a） （b）
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

【共引文獻】

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本文編號：2563710