發(fā)布時間：2018-11-25 13:16

【摘要】：傳統(tǒng)粗晶多晶體金屬塑性變形時,交叉滑移系上位錯相互作用產(chǎn)生的位錯網(wǎng)會限制位錯的運動并導致應變硬化,卸載時位錯結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定,所以,粗晶金屬卸載總表現(xiàn)為彈性卸載。但對納米晶金屬而言,位錯活動局限在少數(shù)滑移面上,不形成位錯網(wǎng),位錯處于一定應力水平時,即保載或卸載時位錯活動不會停止,將導致明顯的保載或卸載塑性變形效應。由于不同的初始變形結(jié)構(gòu)和應力狀態(tài),納米晶金屬保載或卸載時的位錯活動和晶界變形過程明顯不同于加載階段。也正是這種高度可移動性位錯活動和晶界作用,納米晶金屬在力學上往往表現(xiàn)為高強度和低塑性,其中如何提高納米晶金屬的塑性一直是科研工作者亟需解決的難題。傳統(tǒng)粗晶材料所表現(xiàn)出的極高塑性是由于位錯在變形時能夠在更多的滑移系或滑移面上移動,因此我們自然推斷,適當?shù)卦黾蛹{米晶材料的晶粒尺寸,在保持超細晶/納米晶較高強度的同時也能獲得良好的塑性。此外,之前所報道的納米晶材料塑性對應應變速率變化都出現(xiàn)明顯變化趨勢,因此我們更希望能獲得在不同應變速率加載變形時,超細晶/納米晶材料塑性表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性,即對應應變速率變化不敏感。研究納米晶金屬塑性變形行為和相關(guān)位錯及晶界變形機制可深化對納米晶金屬塑性變形本質(zhì)的認識,為納米晶金屬的合理使用提供依據(jù)。本論文開展系列循環(huán)壓縮、拉伸及納米壓痕實驗,檢驗納米晶Cu在循環(huán)壓縮卸載塑性變形行為及其加/卸載速率和模式的關(guān)系,利用增量卸載實驗確定應力場,基于相關(guān)位錯理論建立位錯密度模型,利用塑性變形動力學表達式確定相關(guān)熱激活參數(shù),此外進行透射電鏡觀察,對納米晶Cu卸載塑性變形行為進行理論解釋;檢驗超細晶/納米晶Cu的拉伸強度和塑性及其晶粒尺寸和加載應變速率的關(guān)系;檢驗納米晶Cu,Ni及Ni-Fe合金的納米壓痕蠕變行為及其加載應變速率和層錯能的關(guān)系;檢驗納米晶Cu增量卸載保載的納米壓痕蠕變行為及其外加應力的關(guān)系。本論文所得結(jié)論如下:1.研究了常溫下25 nm納米晶Cu的加載-卸載循環(huán)壓縮實驗,對在卸載時所發(fā)生的塑性變形行為進行分析,可得出它主要受到加載和卸載速率的影響。卸載階段塑性變形行為本質(zhì)上是加載階段積累位錯在卸載階段被晶界吸收所導致。通過增量卸載實驗確定內(nèi)應力i?和有效應力??數(shù)值,在晶界吸收位錯概率模型和晶界韌位錯發(fā)射模型的基礎上,對卸載階段塑性變形行為進行定量分析;通過觀察變形前后的微觀組織演變,可以得出位錯與孿晶界的交互作用最終能導致低應變速率下的晶粒長大及高應變速率下的晶粒細化。2.采用無任何添加劑的鍍液電刷鍍制備了納米晶/超細晶Cu,研究了常溫下59 nm,110 nm納米晶/超細晶Cu在不同應變速率下的拉伸實驗,對比之前所報道的200 nm Cu拉伸結(jié)果,可得出拉伸的強度和塑性主要受到晶粒尺寸和加載應變速率的影響。三種超細晶/納米晶Cu在高應變速率下的變形機制均以位錯運動為主,在低速下的變形機制均是位錯運動和晶界滑移的共同協(xié)調(diào)作用,這種變形機制導致這三種超細晶/納米晶Cu在高速下的拉伸強度均高于低速下的拉伸強度。59 nm Cu在高應變速率下的應力集中和剪切作用及低應變速率下的晶界釋放應力作用,最終導致材料塑性隨應變速率的增加而降低。110 nm Cu在高速下增強的變形協(xié)調(diào)能力與低速下的晶界滑移剪切產(chǎn)生裂紋的綜合作用,最終導致110 nm Cu的塑性隨著應變速率變化其差異不大。而對于200nm Cu,這兩者的綜合作用顯得更為強烈,進而導致塑性隨應變速率的增加呈現(xiàn)出升高的趨勢。3.研究常溫下晶粒尺寸幾乎相同的納米晶Cu(25 nm),納米晶Ni-20(wt.%)Fe(26nm)和納米晶Ni(30 nm)的納米壓痕蠕變測試,可得出它主要受到加載應變速率和層錯能的影響。保載階段蠕變行為本質(zhì)上加載階段所積累位錯在保載階段被晶界吸收,保載階段初期高蠕變應變是晶界對加載階段所存儲的位錯和保載階段新產(chǎn)生的位錯一個快速吸收過程,隨著保載時間增加,蠕變變形的主要機制將會是晶界滑移或擴散所主導。在高應變速率下所獲得蠕變應變速率高于低應變速率的主要原因是,高應變速率下所激發(fā)更多的位錯將會使得加載階段獲得更高的存儲位錯。此外,低層錯能的納米晶材料由于在變形過程中更易形成堆垛層錯和孿晶,會導致其在加載階段含有更高的存儲位錯,也會使得其在保載階段獲得更高的蠕變應變速率。4.研究了常溫下25 nm納米晶Cu納米壓痕測試中增量卸載保載蠕變行為,對卸載之后的保載蠕變行為進行分析,可得出它主要受到外加應力和內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。在有效應力足夠大的情況下,高的蠕變應變主要是由于加載階段的存儲位錯在保載時被晶界吸收所導致,其相應的變形機制是位錯活動,隨著保載時間增加,蠕變變形的主要機制將會晶界滑移或擴散所主導;在有效應力很小或幾乎為零的情況下,位錯恢復運動與晶界協(xié)調(diào)作用兩者間存在著相互競爭;在內(nèi)應力將占據(jù)主導的情況下,殘留位錯在內(nèi)應力作用下的反向運動會導致最終的負蠕變。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG113

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本文編號：2356233