【摘要】：傳統(tǒng)粗晶多晶體金屬塑性變形時(shí),交叉滑移系上位錯(cuò)相互作用產(chǎn)生的位錯(cuò)網(wǎng)會(huì)限制位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致應(yīng)變硬化,卸載時(shí)位錯(cuò)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(cuò)活動(dòng)局限在少數(shù)滑移面上,不形成位錯(cuò)網(wǎng),位錯(cuò)處于一定應(yīng)力水平時(shí),即保載或卸載時(shí)位錯(cuò)活動(dòng)不會(huì)停止,將導(dǎo)致明顯的保載或卸載塑性變形效應(yīng)。由于不同的初始變形結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),納米晶金屬保載或卸載時(shí)的位錯(cuò)活動(dòng)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(dòng)性位錯(cuò)活動(dòng)和晶界作用,納米晶金屬在力學(xué)上往往表現(xiàn)為高強(qiáng)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(cuò)在變形時(shí)能夠在更多的滑移系或滑移面上移動(dòng),因此我們自然推斷,適當(dāng)?shù)卦黾蛹{米晶材料的晶粒尺寸,在保持超細(xì)晶/納米晶較高強(qiáng)度的同時(shí)也能獲得良好的塑性。此外,之前所報(bào)道的納米晶材料塑性對應(yīng)應(yīng)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(yīng)變速率加載變形時(shí),超細(xì)晶/納米晶材料塑性表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性,即對應(yīng)應(yīng)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(cuò)及晶界變形機(jī)制可深化對納米晶金屬塑性變形本質(zhì)的認(rèn)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(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)確定應(yīng)力場,基于相關(guān)位錯(cuò)理論建立位錯(cuò)密度模型,利用塑性變形動(dòng)力學(xué)表達(dá)式確定相關(guān)熱激活參數(shù),此外進(jìn)行透射電鏡觀察,對納米晶Cu卸載塑性變形行為進(jìn)行理論解釋;檢驗(yàn)超細(xì)晶/納米晶Cu的拉伸強(qiáng)度和塑性及其晶粒尺寸和加載應(yīng)變速率的關(guān)系;檢驗(yàn)納米晶Cu,Ni及Ni-Fe合金的納米壓痕蠕變行為及其加載應(yīng)變速率和層錯(cuò)能的關(guān)系;檢驗(yàn)納米晶Cu增量卸載保載的納米壓痕蠕變行為及其外加應(yīng)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(shí)驗(yàn),對在卸載時(shí)所發(fā)生的塑性變形行為進(jìn)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(cuò)在卸載階段被晶界吸收所導(dǎo)致。通過增量卸載實(shí)驗(yàn)確定內(nèi)應(yīng)力i?和有效應(yīng)力??數(shù)值,在晶界吸收位錯(cuò)概率模型和晶界韌位錯(cuò)發(fā)射模型的基礎(chǔ)上,對卸載階段塑性變形行為進(jìn)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(cuò)與孿晶界的交互作用最終能導(dǎo)致低應(yīng)變速率下的晶粒長大及高應(yīng)變速率下的晶粒細(xì)化。2.采用無任何添加劑的鍍液電刷鍍制備了納米晶/超細(xì)晶Cu,研究了常溫下59 nm,110 nm納米晶/超細(xì)晶Cu在不同應(yīng)變速率下的拉伸實(shí)驗(yàn),對比之前所報(bào)道的200 nm Cu拉伸結(jié)果,可得出拉伸的強(qiáng)度和塑性主要受到晶粒尺寸和加載應(yīng)變速率的影響。三種超細(xì)晶/納米晶Cu在高應(yīng)變速率下的變形機(jī)制均以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主,在低速下的變形機(jī)制均是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑移的共同協(xié)調(diào)作用,這種變形機(jī)制導(dǎo)致這三種超細(xì)晶/納米晶Cu在高速下的拉伸強(qiáng)度均高于低速下的拉伸強(qiáng)度。59 nm Cu在高應(yīng)變速率下的應(yīng)力集中和剪切作用及低應(yīng)變速率下的晶界釋放應(yīng)力作用,最終導(dǎo)致材料塑性隨應(yīng)變速率的增加而降低。110 nm Cu在高速下增強(qiáng)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(dǎo)致110 nm Cu的塑性隨著應(yīng)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(qiáng)烈,進(jìn)而導(dǎo)致塑性隨應(yīng)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(yīng)變速率和層錯(cuò)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(cuò)在保載階段被晶界吸收,保載階段初期高蠕變應(yīng)變是晶界對加載階段所存儲的位錯(cuò)和保載階段新產(chǎn)生的位錯(cuò)一個(gè)快速吸收過程,隨著保載時(shí)間增加,蠕變變形的主要機(jī)制將會(huì)是晶界滑移或擴(kuò)散所主導(dǎo)。在高應(yīng)變速率下所獲得蠕變應(yīng)變速率高于低應(yīng)變速率的主要原因是,高應(yīng)變速率下所激發(fā)更多的位錯(cuò)將會(huì)使得加載階段獲得更高的存儲位錯(cuò)。此外,低層錯(cuò)能的納米晶材料由于在變形過程中更易形成堆垛層錯(cuò)和孿晶,會(huì)導(dǎo)致其在加載階段含有更高的存儲位錯(cuò),也會(huì)使得其在保載階段獲得更高的蠕變應(yīng)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(jìn)行分析,可得出它主要受到外加應(yīng)力和內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。在有效應(yīng)力足夠大的情況下,高的蠕變應(yīng)變主要是由于加載階段的存儲位錯(cuò)在保載時(shí)被晶界吸收所導(dǎo)致,其相應(yīng)的變形機(jī)制是位錯(cuò)活動(dòng),隨著保載時(shí)間增加,蠕變變形的主要機(jī)制將會(huì)晶界滑移或擴(kuò)散所主導(dǎo);在有效應(yīng)力很小或幾乎為零的情況下,位錯(cuò)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)與晶界協(xié)調(diào)作用兩者間存在著相互競爭;在內(nèi)應(yīng)力將占據(jù)主導(dǎo)的情況下,殘留位錯(cuò)在內(nèi)應(yīng)力作用下的反向運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致最終的負(fù)蠕變。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG113

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本文編號：2356233