納米結(jié)構(gòu)材料由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能而備受關(guān)注,塑性變形是制備納米金屬材料的有效方式之一,但通過一般的塑性變形難以有效地細(xì)化純鋁的微觀結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)低溫變形和復(fù)合塑性變形能夠細(xì)化晶粒,為純鋁的進(jìn)一步細(xì)化提供了條件。本研究利用軋制和高壓扭轉(zhuǎn)對1060工業(yè)純鋁進(jìn)行了低溫變形處理,制備出了納米晶純鋁樣品。通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及背散射電子衍射技術(shù)等手段對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征;利用顯微硬度儀進(jìn)行力學(xué)性能測試;研究了不同變形條件對于微觀結(jié)構(gòu)的影響,對比了超細(xì)晶與納米晶材料的穩(wěn)定性差別。主要的研究結(jié)果如下:（1）低溫冷軋1060工業(yè)純鋁的微觀組織和力學(xué)性能液氮下進(jìn)行軋制處理后純鋁晶粒的飽和尺寸為270 nm,其形貌主要是層片結(jié)構(gòu),存在大量的小角晶界以及位錯結(jié)構(gòu)。軋制后1060工業(yè)純鋁的顯微硬度隨著晶粒尺寸的減小而增加,當(dāng)晶粒尺寸為270 nm時硬度可達(dá)到440 MPa。（2）高壓扭轉(zhuǎn)1060工業(yè)純鋁的微觀組織和力學(xué)性能對冷軋后的純鋁試樣進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)處理,首次在工業(yè)純鋁中獲得了尺寸為70nm的等軸晶粒,發(fā)現(xiàn)材料中晶界以大角度晶界為主,同時還存在少量孿晶界;另外材料的硬... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)納米結(jié)構(gòu)材料的二維模型；晶體中心的原子用黑色表示，晶界核心區(qū)域原子示為

塑性變形制備納米晶鋁及其熱穩(wěn)定性研究2Valiev教授[8]帶領(lǐng)其團(tuán)隊發(fā)展了劇烈塑性變形技術(shù)制備出了超細(xì)晶，之后研究者才對納米的制備方式進(jìn)行了深入的探索。近些年來發(fā)展了多種納米材料的制備方法，并且在其結(jié)構(gòu)、性能等方面進(jìn)行了廣泛的研究[9,10]，逐漸認(rèn)識到了納米材料在擴(kuò)散[11]、疲勞[12]、強(qiáng)塑性[13]、穩(wěn)定性[14,15]等方面的差別，同時對微觀變形機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析[6]，為材料的設(shè)計和使用提供了堅實的理論基矗Siegel[16]根據(jù)納米材料的維度將其分為4類。0D-納米團(tuán)簇；1D-多分子層；2D-納米層；3D-等軸固體晶。隨著對納米結(jié)構(gòu)晶體認(rèn)識的不斷深入，Gleiter[5]按照材料的成分、形態(tài)以及納米結(jié)構(gòu)的分布進(jìn)一步將納米晶進(jìn)行了詳細(xì)的分類。如圖1.2所示，按照形狀分為3類，柱狀納米晶結(jié)構(gòu)；層片納米晶結(jié)構(gòu)以及等軸納米晶結(jié)構(gòu)；根據(jù)晶體的化學(xué)組成，這三類結(jié)構(gòu)可以分為四種類型，晶內(nèi)和晶界的組成成分相同、晶內(nèi)化學(xué)成分不同、晶界和晶內(nèi)的化學(xué)元素都不相同以及納米尺度析出相彌散分布在不同化學(xué)成分的基體中[5]。圖1.2納米結(jié)構(gòu)材料基于其結(jié)構(gòu)組元的化學(xué)成分和不同納米尺寸維度的分類[5]1.2超細(xì)晶/納米晶材料的制備自納米晶的概念提出以來，制備大尺寸、致密并且無污染的塊體納米結(jié)構(gòu)材料一直是困擾大家的難點(diǎn)。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，目前將納米材料的制備方法分為兩種類型，即“自下而上（bottom-up）”法和“自上而下（top-down）”法。“自下而上”是通過化學(xué)或者物理的方法把原子或者原子團(tuán)簇合成為納米尺度的晶粒，一般包括磁控濺射法（Magnetronsputtering）[17]、電解沉積法（Electrodeposition）[18]、化學(xué)氣相沉積法（Chemicalvapordeposition）[19]等，采用此類方法制備納米晶過程中會引入雜質(zhì)、氣孔等缺陷，存在樣品致密度低以及

過變形把微觀結(jié)構(gòu)破碎至納米尺度，是近年來制備塊體納米晶材料主要的方法，包括軋制（CollRolling，CR）[20,21]、高壓扭轉(zhuǎn)（HighPressureTorsion，HPT）[22,23]、等通道擠壓（EqualChannelAngularPressing，ECAP）[24,25]、累計疊軋（AccumulativeRoll-Bonding，ARB）[26,27]、動態(tài)塑性成形（DynamicPlasticDeformation，DPD）[28,29]以及表面機(jī)械研磨處理（SurfaceMechanicalGrindingTreatment，SMRT）[30,31]等。相比較之下塑性變形制備納米金屬工藝較簡單，污染少。下面將主要介紹幾種塑性變形方式。1.2.1冷軋（CR）圖1.3（a）為軋制過程的簡單示意圖[32]，其原理是使平板樣品通過具有一定間距并相向轉(zhuǎn)動的軋輥，致使樣品在厚度方向產(chǎn)生一定的壓下量而發(fā)生塑性變形。隨著樣品通過軋輥次數(shù)的增加，塑性變形量不斷增大，使樣品中原始的粗大晶粒尺寸細(xì)化至亞微米量級，甚至是納米量級。經(jīng)室溫冷軋制備的金屬材料，其晶粒的尺寸通常為亞微米量級，隨應(yīng)變進(jìn)一步增加，晶粒尺寸保持不變，而晶粒之間取向差逐漸增大[10]。Hansen[33,34]等人對不同金屬軋制后的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過軋制以后粗晶得到細(xì)化，晶粒成層片狀，最小的層片厚度能達(dá)到幾百納米，材料的力學(xué)性能得到提升，但是繼續(xù)增大應(yīng)變量會導(dǎo)致回復(fù)，晶粒長大。Wang[35]等人發(fā)展了低溫冷軋變形方法，將樣品浸泡在液氮中，等到樣品鎮(zhèn)靜之后速取出立即進(jìn)行冷軋變形，通過該法制備了平均晶粒尺寸為22nm的納米晶純銅樣品。(a)(b)圖1.3(a)軋制[32](CR)原理圖，(b)等通道擠壓[8](ECAP)原理圖1.2.2等通道擠壓（ECAP）等通道擠壓是上世紀(jì)80年代初由Segal[8]等人發(fā)展起來的一種可以實現(xiàn)大剪切變形量的金屬成型技術(shù)，當(dāng)時并沒有引起學(xué)術(shù)界廣泛的重視，直到90年代以后，Valiev

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]梯度納米結(jié)構(gòu)材料[J]. 盧柯.  金屬學(xué)報. 2015(01)
[2]納米結(jié)構(gòu)金屬材料的塑性變形制備技術(shù)[J]. 陶乃镕,盧柯.  金屬學(xué)報. 2014(02)
[3]Effects of Strain Rate and Deformation Temperature on Microstructures and Hardness in Plastically Deformed Pure Aluminum[J]. F. Huang, N.R. Tao and K. Lu Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China.  Journal of Materials Science & Technology. 2011(01)

博士論文
[1]塑性變形制備納米金屬材料的穩(wěn)定性研究[D]. 周鑫.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019

碩士論文
[1]冷軋工業(yè)純鋁退火強(qiáng)化性能的研究[D]. 張寧.上海交通大學(xué) 2010



本文編號：3458367