納米結(jié)構(gòu)金屬常具有獨特的物理、機械和化學性質(zhì),是目前材料科學領(lǐng)域的研究熱點之一。金屬的力學性能不僅受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,如晶體取向、晶粒尺寸和孿晶層厚等,同時也受到大變形處理的影響。對于宏觀塊體材料,劇烈塑性變形可以提高金屬的力學特性。然而,這種劇烈的塑性變形并不適合微納米尺度金屬材料。已有報道表明,對于微納尺度金屬材料,通過循環(huán)變形處理可以進一步提高納米金屬的力學特性。但是,針對不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的納米金屬,在循環(huán)變形條件下的力學特性仍然缺乏系統(tǒng)的研究,其相關(guān)變形機制仍然沒有達成共識。本文以單晶、超細孿晶和納米孿晶銅為研究對象,利用磁控濺射制備了超細孿晶和納米孿晶銅,利用納米壓痕對樣品進行了循環(huán)變形并測量了硬度,采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等方法表征了樣品的微結(jié)構(gòu)特征。研究了單晶、超細孿晶和納米孿晶銅在循環(huán)變形下的力學行為,探討了其微觀塑性變形機制。主要結(jié)論如下:1.對于單晶銅,單次加載條件下,不同取向硬度大小為(111)(110)(100)。循環(huán)變形條件下,隨著循環(huán)次數(shù)增加(步長減小),硬度保持不變,直到步長小于5 nm后,硬度才開始增加。即使三種取向單晶銅在不同壓入深度時,該臨界步長仍為5 nm。當步長小于5 nm時,自由表面的鏡像力能夠?qū)π魏水a(chǎn)生的位錯起到吸引作用并將其吸引到自由表面,降低了晶體內(nèi)部位錯密度,進一步的塑性變形主要依賴位錯形核來完成,而位錯形核需要更高的應力來完成。因此,單晶銅的循環(huán)強化機制為位錯匱乏。這與我們的理論計算結(jié)果(當位錯距離自由表面小于6.4 nm會被表面所吸收)基本一致。2.對于超細孿晶銅薄膜,循環(huán)變形條件下,壓入深度不同,硬度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。這是由于其晶粒尺寸為212 nm,孿晶層厚為15.1 nm,在具有比較高的界面密度同時具有很高的位錯存儲能力。在循環(huán)變形中,位錯可以不斷地堆積在晶界和孿晶界處,形成林位錯,提高了位錯運動的阻力,進而提高了薄膜的應變硬化行為。因此,循環(huán)變形中超細孿晶銅的強化機制為林位錯強化。3.納米孿晶銅薄膜的硬度隨著循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與單晶、超細晶孿銅都不同。在壓入深度不同時,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,納米孿晶銅的硬度先增加后減小,存在一個最大值。這是由于,其晶粒尺寸為22.4 nm,孿晶層厚為2.3 nm,在循環(huán)變形過程中,堆積在晶界和孿晶界處的位錯很容易達到飽和,當位錯達到飽和后,首先會在孿晶界中間形成非共格孿晶界,發(fā)生去孿晶化,然后誘導晶界滑移,降低了位錯存儲能力,出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。因此,納米孿晶銅的循環(huán)硬化機制為位錯與界面的反應,循環(huán)軟化是去孿晶化和晶界滑移共同作用的結(jié)果。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG146.11
【部分圖文】：

的載荷下降。這樣的硬化響應與形核后立即形成的位錯鎖結(jié)構(gòu)有關(guān)［１６］。尤其是，??成核位置和形成鎖的位置是重合的，都位于四個等效滑移系統(tǒng)（用陰影三角形表??示）所在的中軸線的交點上（圖１－１?（ａ））。位錯鎖構(gòu)成了一個楔形區(qū)域，該楔形??區(qū)域以兩個丨１１１丨滑移面為界，從而限制了楔形體內(nèi)部的塑性變形，阻止載荷下??降。此外，楔形體傳遞壓頭載荷并在其尖端產(chǎn)生應力集中，在較大的壓頭壓入時，??由于位錯在楔尖位置的非均勻位錯成核而產(chǎn)生載荷下降（如圖１－１?（ｄ））�？紤]到??在（１００）面壓痕中位錯鎖主導應力松弛，Ｗａｎｇ等人［１５］認為這種類型的位錯鎖??可以作為異質(zhì)形核源來啟動位錯崩塌，這導致了實驗測得的壓頭位移突跳現(xiàn)象。??（ａ）?ａ陶?１?ｎ?（ｔ００］?；］?｜?ｎｎｉ??＾?Ｍ?＾??ｍｓｉ???－ｖ＇?＾??（ｂ）?————一－?———＇?（Ｃ）?＼ｃ＾ｍ｝??０ＪＳ，?—?｛，ｕ＞?Ａ?，…一ｗ找應?＊??－（．？〇＞?／＼??ｉ?一《酬／??Ｔ?０ＪＳ?／Ａ?／?：?ｗ??Ｉ?０．１?》?（ｄ）??一?．?＿??０?Ｑ２?０４?０．６?ｍ?Ｉ??Ｉｎｍｊ??圖１－１單晶Ｃｕ?（１１１）、（１１０）和（１００）面納米壓痕的模擬：（ａ）位錯形核位置

和Ｃｌｅｇｇ［３２］，以及Ｄｅｍｉｒ［２８］以及Ｂｕｄｉｍａｎ等人［２３］報道中發(fā)生在原子模擬的尺??度效應中硬度和位錯密度隨著壓入深度的變化趨勢。他們采用Ｄｅｍｉｒ等人［４３］的??實驗參數(shù)。圖１－３?（ａ）給出了平均接觸應力與壓痕深度Ａ變化曲線，這里接觸應??力等同于塑性區(qū)域的硬度／／，在彈性區(qū)域，隨著壓入深度的增加而增加。然而，??圖１－３?（ａ）表明，在初始塑性變形之后，平均接觸應力隨著壓入深度的增加而增??力口。Ｙａｇｈｏｏｂｉ和Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ等人［３６］假設(shè)塑性變形區(qū)域是一個有著ｉ？ｐｚ?＝?／ａｃ半徑??的半球形，其中／是一個常數(shù)。他們使用了不同的／值，／＝?１．５，２．０，２．５，３．０??和３．５，用來研究壓痕過程中塑性變形區(qū)域尺寸對位錯密度的影響。位錯密度ｐ??關(guān)于壓入深度／／的關(guān)系如圖１－３?（ｂ）所示，隨著壓入深度的增加，在不同／值中??位錯密度都是隨著壓入深度的增加而增加的。根據(jù)Ｔａｙｌｏｒ硬化模型，因為位錯密??度隨著壓入深度的增加而增加，硬度應該也是增加的。然而，圖卜３?（ａ）表明隨??５??

Ｓｏｅｒ等人［３８］、Ｈｏｕ等人［３９］和Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ等人［４０－４５］比較了單晶和多晶在納??米壓痕過程中的響應，從理論和實驗兩方面總結(jié)了晶界（ｇｒａｉｎ?ｂｏｕｎｄａｒｙ，ＧＢ）??與壓痕尺寸效應之間的相互作用。如圖１－４所示，在單晶Ａ１中，可以觀察到常??規(guī)尺寸效應的趨勢。然而，在多晶Ａ１中，由于晶界的影響，可以觀察到局部硬??化。為了解釋晶界效應，Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ和他的同事［３９－４７］根據(jù)ＧＮＤｓ的概念提出了理??論模型。??６??
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李言;孔祥健;郭偉超;楊明順;;納米壓痕技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];機械科學與技術(shù);2017年03期

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相關(guān)碩士學位論文 前1條

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本文編號：2881359