【摘要】：強度和塑性是結構材料最基本的力學性能。等徑角變形等劇烈塑性變形方法通過細化材料內部的晶粒組織,大幅提高了其強度。另一方面,改變材料變形的外在條件對材料的力學行為也會產生影響顯著,例如高應變速率變形下,材料的流變應力會明顯提高。多晶材料塑性變形時表面會產生粗糙起伏的“桔皮效應”。迄今的研究已經清楚了在常規(guī)應變速率條件下晶粒尺寸細至18μm的金屬材料的“桔皮效應”產生規(guī)律。然而,當晶粒尺寸細化至超細晶/納米晶尺度時、以及在高應變速率條件下,“桔皮效應”是否依然存在?是否還遵循粗晶時及常規(guī)應變速率時的規(guī)律?這些問題的答案對于在超細晶/納米晶的范疇發(fā)展“桔皮效應”相關的塑性理論、以及這類新材料的塑性成形和應用具有重要的作用。另一方面,塑性變形中流變應力的應變速率敏感性指數(Strain rate Sensitivity,簡稱SRS)是表征材料塑性行為的重要參數。業(yè)已表明fcc金屬的SRS會隨著晶粒尺寸的減小而顯著升高。這一現象可以用熱激活主導的位錯滑移模型很好地解釋。然而,當應變速率升高到～1103s-1時,塑性變形的主導機制逐漸由熱激活機制轉變?yōu)槲诲e阻尼機制。在這種新的位錯阻尼機制主導下,SRS與晶粒尺寸的關系是延續(xù)低應變速率下的關系呢,還是有新的表現?非常值得期待。特別是,SRS對高應變速率下的塑性變形作用更為重要。圍繞上述問題,本文以fcc無氧純銅為例,通過對超細晶純銅進行退火熱處理制備出不同晶粒尺寸的試樣,通過準靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗,研究不同應變速率條件下“桔皮效應”和SRS的晶粒尺寸效應。研究得到如下主要創(chuàng)新性結論:1.與低應變速率下晶粒細化導致SRS增大的規(guī)律截然相反,本研究發(fā)現在高應變速率下,純銅SRS隨晶粒尺寸增大而顯著增高。SRS具有明顯的應變速率效應,尤其在高應變速率下,SRS會顯著增高。這也是導致高、低應變速率下,SRS隨晶粒尺寸變化規(guī)律呈現相反趨勢的直接原因。2.SRS與晶粒尺寸關系隨著應變速率增高而發(fā)生反轉的原因是:低應變速率下的熱激活主導機制轉變?yōu)楦邞兯俾氏碌奈诲e阻尼主導機制�；诰植咳∠虿罘治龅娘@微組織觀察間接證實了這一塑性變形機制的轉變,而且隨著晶粒尺寸增大位錯阻尼機制的作用逐漸增強。根據本文建立的本構模型,SRS由熱激活分量和位錯阻尼分量兩部分組成。在熱激活機制主導下,SRS熱激活分量與應變速率無關且隨著晶粒尺寸的降低而增高,但其值總體較小;而在位錯阻尼機制主導下,SRS位錯阻尼分量隨應變速率快速增大,遠超過SRS的熱激活分量,并且該分量隨晶粒尺寸增加而顯著升高。二者共同作用,造成了SRS的晶粒尺寸效應隨著應變速率的增高發(fā)生反轉。3.在細至～0.5μm的晶粒尺寸范圍內,變形純銅表面“桔皮”結構的自仿射分形維數相同,自仿射相關長度與晶粒尺寸成正比�！敖燮ば钡谋举|是,不同晶粒之間不同的塑性變形特征,導致晶粒間出現空間位置上的交錯起伏。細化晶粒不僅降低表面粗糙度Ra,還會降低表面粗糙度增長速率�！敖燮ば北憩F出明顯的應變速率相關性,高應變速率下生產的表面粗糙度明顯大于低應變速率下的表面粗糙度。反映出晶粒之間不同的塑性變形特征會隨應變速率增大而加劇。4.在高應變速率變形下,純銅的流變應力與晶粒尺寸依然符合Hall-Petch關系。其斜率K與應變速率的對數成正比。同時高應變速率下的拉伸變形均勻延伸率也隨晶粒尺寸的增大而逐漸增高。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.11
【圖文】：

延伸率隨晶粒尺寸降低而降低的現象可能是納米晶材料的固有內稟屬性，反映了其本逡逑征低塑性的行為。Ｋｏｃｈ＿等人總結前人的實驗結果表明，當晶粒尺寸細化至２５ｎｍ以逡逑下時，材料的拉伸斷裂延伸率小于２％，幾乎沒有拉伸塑性（如圖１．２所示）。并且總逡逑結了導致納米晶材料塑性極差的三種主要原因：加工成形過程引入的缺陷，拉伸逡逑變形失穩(wěn)，以及裂紋形核與剪切失穩(wěn)。逡逑２０．０邋邐邋邐邐邐逡逑Ｏ邋Ｃｕ逡逑□邋Ｃｕ逡逑Ｏ邋Ｃｕ邐＾逡逑厶Ｃｕ逡逑＿邋１５．０邋－邋Ｏ邐Ｃｕ逡逑￡邐Ｈ邐Ｃｕ／ＺｒＣ／Ｏ逡逑？邐？邐Ａｌ／Ａｌ６．４Ｚｒ逡逑Ｅ邐■邐ＡＩ－１０Ｔｉ邐？逡逑￡邐？邋Ｐｄ邐Ａ逡逑0邋ｉ0．0邋－邋Ａ邋Ａｇ邐Ｊ邐Ａ逡逑８逡逑Ｉ逡逑Ｓ邋，0：邐Ｕ邋在逡逑明邐■逡逑ａ，邋．邋0邐■邋Ｂ逡逑，��？亡□邋？邋ｓ邋長ｅ逡逑ｑ邋ｑ邋邐ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｔ邋ｉ邋■邐＾邋ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋１邐邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑１邋１０邋１００邐１，０００逡逑Ｇｒａｉｎ邋Ｓｉｚｅ邋（ｎｍ）逡逑圖１．２拉伸斷裂延伸率與晶粒尺寸的關系Ｉ１８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｅｎｓｉｌｅ邋ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｖｅｒｓｕｓ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅ１１８１．逡逑然而，能夠準確描述粗晶尺度Ｋ強度與品粒尺寸關系的經典的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ關系在逡逑納米晶范圍內卻不再適用。大量實驗結果證明

延伸率隨晶粒尺寸降低而降低的現象可能是納米晶材料的固有內稟屬性，反映了其本逡逑征低塑性的行為。Ｋｏｃｈ＿等人總結前人的實驗結果表明，當晶粒尺寸細化至２５ｎｍ以逡逑下時，材料的拉伸斷裂延伸率小于２％，幾乎沒有拉伸塑性（如圖１．２所示）。并且總逡逑結了導致納米晶材料塑性極差的三種主要原因：加工成形過程引入的缺陷，拉伸逡逑變形失穩(wěn)，以及裂紋形核與剪切失穩(wěn)。逡逑２０．０邋邐邋邐邐邐逡逑Ｏ邋Ｃｕ逡逑□邋Ｃｕ逡逑Ｏ邋Ｃｕ邐＾逡逑厶Ｃｕ逡逑＿邋１５．０邋－邋Ｏ邐Ｃｕ逡逑￡邐Ｈ邐Ｃｕ／ＺｒＣ／Ｏ逡逑？邐？邐Ａｌ／Ａｌ６．４Ｚｒ逡逑Ｅ邐■邐ＡＩ－１０Ｔｉ邐？逡逑￡邐？邋Ｐｄ邐Ａ逡逑0邋ｉ0．0邋－邋Ａ邋Ａｇ邐Ｊ邐Ａ逡逑８逡逑Ｉ逡逑Ｓ邋，0：邐Ｕ邋在逡逑明邐■逡逑ａ，邋．邋0邐■邋Ｂ逡逑，��？亡□邋？邋ｓ邋長ｅ逡逑ｑ邋ｑ邋邐ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｔ邋ｉ邋■邐＾邋ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋１邐邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑１邋１０邋１００邐１，０００逡逑Ｇｒａｉｎ邋Ｓｉｚｅ邋（ｎｍ）逡逑圖１．２拉伸斷裂延伸率與晶粒尺寸的關系Ｉ１８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｅｎｓｉｌｅ邋ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｖｅｒｓｕｓ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅ１１８１．逡逑然而，能夠準確描述粗晶尺度Ｋ強度與品粒尺寸關系的經典的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ關系在逡逑納米晶范圍內卻不再適用。大量實驗結果證明

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