Cu-Nb層狀復合材料微觀組織調控與變形行為研究
發(fā)布時間：2021-04-02 01:06
現(xiàn)代材料科學的發(fā)展和工業(yè)技術應用的需要對金屬結構材料的強韌化提出了更高的要求,而傳統(tǒng)的材料強化方式在提高材料強度的同時往往會導致其塑性的降低,強度與塑性通常是呈倒置關系的。層狀構型設計能兼具各組元相的優(yōu)異性能,達到強度和塑性的良好匹配,表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能。為了研究層厚結構參數(shù)對金屬層狀復合材料力學性能及變形行為的影響,本文利用真空熱壓、軋制等方法制備了不同層厚體系的Cu-Nb層狀復合材料,利用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）等分析測試手段對該材料進行了微觀組織表征,通過室溫拉伸試驗進行力學性能測試,分析層厚對層狀復合材料力學性能的影響,利用白光勞厄微衍射技術分析與表征變形過程中層狀結構參數(shù)對材料內部位錯分布的影響,分析材料微區(qū)變形的機理,探究層狀構型實現(xiàn)復合材料強韌化的原因。本課題采用真空熱壓和熱壓、軋制復合的兩種不同的工藝制備了兩組等層厚比、不同層厚的Cu-Nb層狀復合材料。真空熱壓工藝制備的材料體系分別為A100、A80、A50、A30四個體系。各體系界面較平直,沒有明顯的界面縫隙或裂紋,Cu、Nb之間獲得了良好的結合,界面處形成了厚度為2μm左...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
多層鋼復合材料強度-塑性關系示意圖[19]
哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-6-可以更有效地限制裂紋的擴展。層狀復合材料中組元層材料本身的力學特性對材料的力學性能有很重要的影響，只有通過合理恰當?shù)慕M元層設計才能夠獲得我們所需要的力學性能。圖1-2冷軋Cu、Cu/Al、Cu/CuLMCs均勻延伸率和強度散點圖[30]1.3.2界面特性在對層狀結構材料的塑性變形的研究中，發(fā)現(xiàn)界面在層狀材料的變形過程中產生了協(xié)調作用，能夠調控和再分配應力，改變材料變形過程中的應變分配，從而改變材料的整體力學性能。Lhuissie等人[19]對馬氏體/奧氏體多層鋼拉伸變形過程中局域應變的分布和演化過程進行了研究，結果表明，層狀結構的限制作用使得脆性的馬氏體相可以承擔20%的拉伸應變且未發(fā)生斷裂。同時，界面產生的限制效應，可以有效地阻礙裂紋的橫向擴展，增加裂紋擴展所需的能量，從而提高材料的斷裂韌性以及疲勞性能。Gao等[31]通過建立微觀斷裂力學模型，指出層狀材料的高斷裂韌性來源于其高的裂紋容忍能力，并發(fā)現(xiàn)界面在層狀材料變形過程中可以實現(xiàn)應力的再分配，緩解局部應力集中，從而降低了裂紋形核幾率以及裂紋擴展驅動力。Beyerlein等[32]利用物理氣相沉積得到的納米多層材料的典型界面{111}Cu//{110}Nb，滿足K-S取向關系，ARB的界面則多數(shù)為{112}fcc//{112}bcc與<110>fcc//<111>bcc。Zheng等[33]經(jīng)高分辨透射電子顯微學研究也發(fā)現(xiàn)，利用大塑性變形可以使絕大多數(shù)Cu-Nb界面形成了具有確定取向關系的、原子級規(guī)則有序的半共格界面。Cu-Nb界面取向關系呈現(xiàn)為{112}Cu//{112}Nb，<111>Cu//<110>Nb，滿足K-S取向關系。并基于Cu-Nb的研究，總結出了軋制多層材料中穩(wěn)定界面出現(xiàn)的規(guī)律如下：（1）界面兩側晶體的取向對應各自塊體多
旖緱嬖詒湫喂?程中對應力、應變的協(xié)調作用，從而影響層狀材料的綜合力學性能。目前已有的研究結果表明，引入強界面可以有效提高界面?zhèn)鬟f載荷的能力，從而增加組元層材料之間的變形協(xié)調性，提升材料塑性。與此相反，有目的性地在層狀材料中引入弱界面，誘導材料沿界面脫粘從而延長裂紋擴展路徑，實現(xiàn)增韌的目的。1.3.3層厚結構參數(shù)層狀結構的幾何參數(shù)，如層厚和層厚比，是優(yōu)化層狀材料力學性能的關鍵因素。Du等[35]利用熱壓-軋制的制備工藝制備了一系列不同層厚比結構參數(shù)的Ti/Al層狀復合材料，對其進行力學性能測試，如圖1-3所示，發(fā)現(xiàn)Ti/Al層狀復合材料的強度基本符合混合定律的預測，但其斷裂延伸率超過了其中任一組元，當保持Ti層厚度相同，Ti/Al層狀復合材料的斷裂延伸率隨著Al層厚度的減小有先增大后減小的規(guī)律，存在一個極大值使得材料獲得最優(yōu)力學性能。圖1-3熱軋的Ti和Al及LMC的拉伸工程應力-應變曲線[35]Huang[36]等研究發(fā)現(xiàn)，如圖1-4所示，在等層厚比層狀Ti/Al復合材料中，隨著單層層厚的增加，屈服強度呈微弱增幅，但其斷裂延伸率呈先減小后增大趨勢。在不同層厚比的層狀Ti/Al復合材料中，隨著Al層厚度減小，屈服強度呈增加趨勢，斷裂延伸率先增大后減小趨勢。Zhang等制備了一系列不同厚度比的Au/Cu，Cr/Cu復合材料，基于位錯強化和剪切變形理論，提出了各種界面強化模型，揭示了層厚比與力學性能的相關性[23]。
本文編號：3114296
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
多層鋼復合材料強度-塑性關系示意圖[19]
哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-6-可以更有效地限制裂紋的擴展。層狀復合材料中組元層材料本身的力學特性對材料的力學性能有很重要的影響，只有通過合理恰當?shù)慕M元層設計才能夠獲得我們所需要的力學性能。圖1-2冷軋Cu、Cu/Al、Cu/CuLMCs均勻延伸率和強度散點圖[30]1.3.2界面特性在對層狀結構材料的塑性變形的研究中，發(fā)現(xiàn)界面在層狀材料的變形過程中產生了協(xié)調作用，能夠調控和再分配應力，改變材料變形過程中的應變分配，從而改變材料的整體力學性能。Lhuissie等人[19]對馬氏體/奧氏體多層鋼拉伸變形過程中局域應變的分布和演化過程進行了研究，結果表明，層狀結構的限制作用使得脆性的馬氏體相可以承擔20%的拉伸應變且未發(fā)生斷裂。同時，界面產生的限制效應，可以有效地阻礙裂紋的橫向擴展，增加裂紋擴展所需的能量，從而提高材料的斷裂韌性以及疲勞性能。Gao等[31]通過建立微觀斷裂力學模型，指出層狀材料的高斷裂韌性來源于其高的裂紋容忍能力，并發(fā)現(xiàn)界面在層狀材料變形過程中可以實現(xiàn)應力的再分配，緩解局部應力集中，從而降低了裂紋形核幾率以及裂紋擴展驅動力。Beyerlein等[32]利用物理氣相沉積得到的納米多層材料的典型界面{111}Cu//{110}Nb，滿足K-S取向關系，ARB的界面則多數(shù)為{112}fcc//{112}bcc與<110>fcc//<111>bcc。Zheng等[33]經(jīng)高分辨透射電子顯微學研究也發(fā)現(xiàn)，利用大塑性變形可以使絕大多數(shù)Cu-Nb界面形成了具有確定取向關系的、原子級規(guī)則有序的半共格界面。Cu-Nb界面取向關系呈現(xiàn)為{112}Cu//{112}Nb，<111>Cu//<110>Nb，滿足K-S取向關系。并基于Cu-Nb的研究，總結出了軋制多層材料中穩(wěn)定界面出現(xiàn)的規(guī)律如下：（1）界面兩側晶體的取向對應各自塊體多
旖緱嬖詒湫喂?程中對應力、應變的協(xié)調作用，從而影響層狀材料的綜合力學性能。目前已有的研究結果表明，引入強界面可以有效提高界面?zhèn)鬟f載荷的能力，從而增加組元層材料之間的變形協(xié)調性，提升材料塑性。與此相反，有目的性地在層狀材料中引入弱界面，誘導材料沿界面脫粘從而延長裂紋擴展路徑，實現(xiàn)增韌的目的。1.3.3層厚結構參數(shù)層狀結構的幾何參數(shù)，如層厚和層厚比，是優(yōu)化層狀材料力學性能的關鍵因素。Du等[35]利用熱壓-軋制的制備工藝制備了一系列不同層厚比結構參數(shù)的Ti/Al層狀復合材料，對其進行力學性能測試，如圖1-3所示，發(fā)現(xiàn)Ti/Al層狀復合材料的強度基本符合混合定律的預測，但其斷裂延伸率超過了其中任一組元，當保持Ti層厚度相同，Ti/Al層狀復合材料的斷裂延伸率隨著Al層厚度的減小有先增大后減小的規(guī)律，存在一個極大值使得材料獲得最優(yōu)力學性能。圖1-3熱軋的Ti和Al及LMC的拉伸工程應力-應變曲線[35]Huang[36]等研究發(fā)現(xiàn)，如圖1-4所示，在等層厚比層狀Ti/Al復合材料中，隨著單層層厚的增加，屈服強度呈微弱增幅，但其斷裂延伸率呈先減小后增大趨勢。在不同層厚比的層狀Ti/Al復合材料中，隨著Al層厚度減小，屈服強度呈增加趨勢，斷裂延伸率先增大后減小趨勢。Zhang等制備了一系列不同厚度比的Au/Cu，Cr/Cu復合材料，基于位錯強化和剪切變形理論，提出了各種界面強化模型，揭示了層厚比與力學性能的相關性[23]。
本文編號：3114296
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3114296.html
最近更新
教材專著
