【摘要】：隨著工程材料需求的日益增加,具有高強(qiáng)度并擁有良好塑性的金屬材料越來越受到人們的廣泛關(guān)注。通過大塑性變形技術(shù),材料的強(qiáng)度提升較多,但喪失了大部分塑性。為了避免強(qiáng)度-塑性的矛盾,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建特別有益,異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)變梯度可以促進(jìn)強(qiáng)度-塑性的協(xié)調(diào)作用。異質(zhì)多層結(jié)構(gòu)利用了成分材料的優(yōu)良性能,通過調(diào)整組成層和界面,明顯改善材料的力學(xué)性能。銅具有優(yōu)異的塑性,但強(qiáng)度和耐磨性較差,銅及銅合金的傳統(tǒng)性能限制了其在各個領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。目前,異質(zhì)多層材料中關(guān)于力學(xué)行為的系統(tǒng)研究較少。本文主要通過采用電鍍工藝,制備出多層結(jié)構(gòu)材料銅及銅合金,研究其力學(xué)性能。采用電鍍和表面機(jī)械研磨處理技術(shù)成功制備出多層梯度結(jié)構(gòu)銅,通過控制前處理過程并對鍍液配方進(jìn)行改進(jìn),得到均勻致密的鍍層,較好地解決了層間結(jié)合問題。通過多層間結(jié)合及不同尺寸晶粒間的協(xié)調(diào)變形,獲得了綜合性能良好的多層梯度銅材料。通過對比發(fā)現(xiàn),多層結(jié)構(gòu)確實能在單層梯度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度,突破單層的限制。由于鍍層與基體間存在一定的結(jié)構(gòu)突變,其性能的突變及不同層間的結(jié)合力對多層結(jié)構(gòu)材料的塑性有著較大影響。純銅作為基體,采用電鍍工藝,制備Ni鍍層,獲得了不同厚度比的Cu/Ni層狀復(fù)合材料,研究了不同厚度比對層狀復(fù)合材料力學(xué)行為的影響,結(jié)果表明鍍層與基體厚度比的適當(dāng)組合可能會使復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性得到更好的協(xié)調(diào)。鍍層和基體之間進(jìn)行相互協(xié)調(diào)變形,復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度主要取決于Ni和Cu層的內(nèi)在強(qiáng)度。電鍍Ni后采用SMAT技術(shù)使鍍層晶粒進(jìn)一步細(xì)化,屈服強(qiáng)度明顯提高,且鍍層和基體的結(jié)合更加致密,在拉伸過程中仍保持良好的結(jié)合,不容易分離,使得更好的協(xié)調(diào)變形,保留其部分塑性。純銅作為基體,采用電鍍工藝,制備交替存在的Ni鍍層與Cu鍍層,得到Cu/Ni多層結(jié)構(gòu)材料,分析了Cu/Ni多層材料強(qiáng)度和塑性的應(yīng)變速率依賴性及其機(jī)理,發(fā)現(xiàn)多層材料具有明顯的應(yīng)變速率敏感性(較大的m值)是層狀結(jié)構(gòu)中界面處的應(yīng)力梯度引起的。Cu/Ni多層材料的高強(qiáng)度并不完全是Ni鍍層提供,其中一部分來源于界面處大量位錯堆積產(chǎn)生的背應(yīng)力。層狀結(jié)構(gòu)材料中具有明顯的包申格效應(yīng),當(dāng)應(yīng)變速率提高時,應(yīng)變梯度增大,從而產(chǎn)生較多的幾何必須位錯阻礙位錯的運(yùn)動,有助于較高的背應(yīng)力,背應(yīng)力越大對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越多。通過不同的測試方法分析銅基多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,三層梯度結(jié)構(gòu)銅的力學(xué)性能優(yōu)于雙層梯度結(jié)構(gòu)銅,單次鍍層越厚、梯度層數(shù)越多,得到的樣品性能越好;當(dāng)Cu基體與Ni鍍層的厚度比介于12~8之間時,Cu/Ni層狀復(fù)合材料實現(xiàn)了軟相與硬相的良好的協(xié)調(diào)變形,使強(qiáng)度-塑性有較好的匹配;在Cu/Ni多層結(jié)構(gòu)材料中,10min樣品的界面較多,背應(yīng)力較高,強(qiáng)度較高,其力學(xué)性能優(yōu)于30min樣品。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 銅及銅合金
        1.1.1 銅的基本性質(zhì)
        1.1.2 銅合金的分類及應(yīng)用
    1.2 金屬材料的強(qiáng)度和塑性
        1.2.1 金屬材料的強(qiáng)度
        1.2.2 金屬材料的塑性
        1.2.3 金屬材料的強(qiáng)度-塑性匹配
    1.3 層狀復(fù)合材料
        1.3.1 金屬層狀復(fù)合材料的特點(diǎn)
        1.3.2 金屬層狀復(fù)合材料的制備
    1.4 電沉積工藝
        1.4.1 電鍍簡介
        1.4.2 鍍層的分類及生長機(jī)制
        1.4.3 電沉積工藝研究進(jìn)展
    1.5 課題研究的內(nèi)容及意義
        1.5.1 課題研究的內(nèi)容
        1.5.2 研究意義
第二章 實驗內(nèi)容及步驟
    2.1 實驗材料及設(shè)備
        2.1.1 實驗用材料及預(yù)處理
        2.1.2 主要實驗藥品及儀器設(shè)備
    2.2 實驗方案設(shè)計
    2.3 實驗過程
        2.3.1 表面機(jī)械研磨處理
        2.3.2 電鍍
    2.4 力學(xué)性能測試
        2.4.1 拉伸性能測試
        2.4.2 顯微硬度測試
        2.4.3 包申格效應(yīng)測試
        2.4.4 應(yīng)變速率突變實驗
        2.4.5 應(yīng)力松弛實驗
    2.5 微觀結(jié)構(gòu)
        2.5.1 金相顯微鏡分析
        2.5.2 掃描電子顯微鏡
        2.5.3 能譜分析
        2.5.4 電子背散射衍射分析
第三章 多層梯度結(jié)構(gòu)銅的制備及性能
    3.1 酸性鍍銅工藝研究
        3.1.1 電鍍銅前處理工藝
        3.1.2 電鍍銅的鍍液配方及工藝條件
        3.1.3 電沉積工藝參數(shù)對鍍層質(zhì)量的影響
    3.2 多層梯度結(jié)構(gòu)銅的制備
        3.2.1 不同時間SMAT處理所得雙層梯度銅的性能
        3.2.2 不同時間電鍍所得多層梯度銅的性能
        3.2.3 多層梯度結(jié)構(gòu)銅的斷裂特征
    3.3 本章小結(jié)
第四章 銅/鎳層狀復(fù)合材料的力學(xué)行為
    4.1 Cu/Ni層狀復(fù)合材料的制備
        4.1.1 鍍Ni前基體的預(yù)處理
        4.1.2 Ni鍍液的配方
    4.2 不同厚度比的Cu/Ni復(fù)合材料的力學(xué)行為
        4.2.1 微觀組織
        4.2.2 顯微硬度
        4.2.3 拉伸性能
        4.2.4 斷口形貌
    4.3 表面機(jī)械研磨處理對Cu/Ni復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
        4.3.1 微觀組織
        4.3.2 顯微硬度
        4.3.3 拉伸性能
        4.3.4 斷口形貌分析
    4.4 本章小結(jié)
第五章 銅/鎳多層結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為
    5.1 微觀組織
        5.1.1 金相組織分析
        5.1.2 電子背散射衍射分析
        5.1.3 能譜分析
        5.1.4 斷口形貌分析
    5.2 硬度測試
    5.3 Cu/Ni多層結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變速率敏感性
        5.3.1 拉伸性能
        5.3.2 應(yīng)變速率突變測試
    5.4 Cu/Ni多層結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力松弛行為
    5.5 Cu/Ni多層結(jié)構(gòu)材料的背應(yīng)力硬化
        5.5.1 背應(yīng)力的測試表征
        5.5.2 背應(yīng)力硬化
    5.6 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄 攻讀碩士期間發(fā)表論文目錄

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2889411