本文關(guān)鍵詞：基于X射線衍射技術(shù)的金屬材料受限形變行為研究

  更多相關(guān)文章： 受限形變 微觀應(yīng)力 X射線衍射 金屬多層膜 激光沖擊強(qiáng)化

【摘要】：金屬材料形變時(shí)由于受到尺度、二維界面、母材局域的約束而呈現(xiàn)出奇特力學(xué)行為,此種形變稱為受限形變。這種材料受限形變現(xiàn)象在微/納電機(jī)械系統(tǒng)和一些先進(jìn)結(jié)構(gòu)部件的表面機(jī)械處理工藝中廣泛存在。金屬多層膜是微/納電機(jī)械系統(tǒng)中電子元器件以及互連結(jié)構(gòu)的重要組元,在服役中多層膜受到尺度以及界面約束而發(fā)生彈塑性形變,金屬多層膜結(jié)構(gòu)組元的形變機(jī)制和力學(xué)性能影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能;激光沖擊強(qiáng)化材料表面處理技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)中,其機(jī)制主要是通過沖擊區(qū)域形變受到母材限制,引入高的殘余壓應(yīng)力和位錯(cuò)密度來防止表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生,以提高部件的疲勞性能,沖擊后宏/微觀殘余應(yīng)力分布狀態(tài)將影響部件的服役壽命和安全性。本論文以Cu/Ag、Cu/Cr多層膜和雙光斑激光沖擊強(qiáng)化TC11鈦合金兩類受限形變金屬材料為研究對(duì)象,揭示此二類材料受限形變的微觀組織演化、微觀力學(xué)行為及形變機(jī)制。采用同步輻射X射線衍射(XRD)原位研究了Cu/Ag多層膜拉伸形變過程中界面受限的力學(xué)行為。根據(jù)原位實(shí)驗(yàn)獲取的點(diǎn)陣應(yīng)變演化,利用廣義胡克定律計(jì)算出各膜層應(yīng)力,通過雙相應(yīng)力混合模型定量研究了膜層之間的交互作用力,首次發(fā)現(xiàn)塑性形變過程中金屬多層膜膜層間存在應(yīng)力重新配分現(xiàn)象。研究證實(shí),Cu/Ag多層膜塑性形變過程中,作為硬質(zhì)相的Cu層承受更大的應(yīng)力,軟質(zhì)相的Ag層將更多的應(yīng)力傳遞給Cu層。研究發(fā)現(xiàn),隨應(yīng)力重新配分的發(fā)生,界面應(yīng)力隨外載應(yīng)力的變化而發(fā)生規(guī)律性的演變,第一階段為彈性形變區(qū),膜層間幾乎無相互作用力;第二階段時(shí)硬質(zhì)相Cu繼續(xù)保持彈性形變,而軟質(zhì)相Ag發(fā)生屈服,從而導(dǎo)致界面應(yīng)力迅速增大;第三階段為塑性區(qū),膜層均發(fā)生塑性形變,界面應(yīng)力趨于穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn),界面應(yīng)力降低了金屬多層膜的延性。利用常規(guī)XRD技術(shù)原位研究了Cu/Cr金屬多層膜形變過程中Cu層的形變機(jī)制。根據(jù)原位實(shí)驗(yàn)獲得的Cu層衍射峰半高寬的演化,首次發(fā)現(xiàn)金屬多層膜應(yīng)變加載-卸載時(shí)其膜層的衍射峰半高寬存在可逆寬化現(xiàn)象,進(jìn)而利用衍射峰半高寬與位錯(cuò)密度的關(guān)系,證實(shí)了Cu層的位錯(cuò)密度隨應(yīng)變?cè)龃蠖黾?隨應(yīng)變卸載而減小,并且卸載后無位錯(cuò)網(wǎng)殘留。根據(jù)不同尺度Cu層衍射峰半高寬與宏觀應(yīng)變的關(guān)系,進(jìn)一步證明單層尺度不影響位錯(cuò)增殖速率,只影響層內(nèi)位錯(cuò)容限,Cu層內(nèi)位錯(cuò)容限隨單層厚度的降低而迅速減小,Cu/Cr層間界面為多層膜的主要位錯(cuò)源和湮滅源。通過常規(guī)XRD技術(shù)原位測(cè)量了Cu層加載過程中的晶格應(yīng)變,研究了Cu層力學(xué)行為的尺度與界面效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),Cu/Cr多層膜中Cu層的延性和屈服強(qiáng)度具有明顯的尺度和界面依賴性,隨Cu單層厚度減小,Cu層的延性降低,強(qiáng)度增大。界面的約束作用使得Cu/Cr多層膜中Cu層先于單層同厚度Cu膜斷裂,前者的強(qiáng)度要高于后者。Hall-Petch關(guān)系模型和位錯(cuò)層內(nèi)約束滑移模型理論計(jì)算的強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。通過調(diào)節(jié)多層膜中膜層的單層厚度、界面結(jié)構(gòu),金屬多層膜可獲得高強(qiáng)度、高延性的力學(xué)性能。采用同步輻射高能X射線衍射透射法,研究了搭接率50%的雙光斑沖擊強(qiáng)化TC11鈦合金沿深度方向面內(nèi)殘余應(yīng)變的分布狀態(tài)。根據(jù)高能X射線衍射獲取的晶格應(yīng)變,發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化鈦合金的光斑搭接區(qū)域與未搭接區(qū)域均隨深度的變化存在強(qiáng)的晶間應(yīng)力與相間應(yīng)力。兩區(qū)域殘余應(yīng)變隨深度的變化具有強(qiáng)的晶體取向依賴性,兩相達(dá)到應(yīng)力零點(diǎn)的深度不同,皆表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變各向異性。殘余應(yīng)變?cè)趦蓞^(qū)域的表面及近表面均為壓應(yīng)變,隨深度增加,轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變,最后恢復(fù)到初始試樣狀態(tài)(無應(yīng)力狀態(tài)),應(yīng)力零點(diǎn)的深度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的取向依賴性。搭接區(qū)的殘余壓應(yīng)變深度大于未搭接區(qū),其表面區(qū)域的“殘余應(yīng)力洞”具有取向依賴性。測(cè)量所得到的殘余應(yīng)變?是本征殘余應(yīng)變?(晶粒相互作用引起的殘余應(yīng)變)和母材局域加載殘余應(yīng)變?(沖擊波卸載后,周圍晶粒反作用引起的殘余應(yīng)變)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：受限形變 微觀應(yīng)力 X射線衍射 金屬多層膜 激光沖擊強(qiáng)化
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG115
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-34
• 1.1 本論文的研究意義13-14
• 1.1.1 尺度及界面受限形變研究13-14
• 1.1.2 母材局域受限形變研究14
• 1.2 薄膜材料受限形變行為研究背景及現(xiàn)狀14-25
• 1.2.1 金屬薄膜材料的概念及研究背景14-17
• 1.2.2 薄膜材料制備方法17-18
• 1.2.3 金屬薄膜材料力學(xué)行為18-25
• 1.3 激光沖擊強(qiáng)化材料受限形變行為研究背景及現(xiàn)狀25-32
• 1.3.1 激光沖擊強(qiáng)化研究背景25-27
• 1.3.2 激光沖擊強(qiáng)化基本原理27-28
• 1.3.3 激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀28-32
• 1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容32-34
• 第2章 材料受限形變內(nèi)應(yīng)力分類及測(cè)量技術(shù)34-48
• 2.1 前言34-36
• 2.2 常規(guī)X射線衍射(XRD)應(yīng)力測(cè)量技術(shù)36-39
• 2.2.1 同傾法36-37
• 2.2.2 側(cè)傾法37-38
• 2.2.3 掠射法38-39
• 2.3 同步輻射源X射線衍射應(yīng)力測(cè)量技術(shù)39-45
• 2.3.1 同步輻射簡(jiǎn)介39-44
• 2.3.2 同步輻射X射線衍射應(yīng)力測(cè)量方法44-45
• 2.4 中子衍射應(yīng)力測(cè)量技術(shù)45-47
• 2.5 本章小結(jié)47-48
• 第3章 受限形變Cu/Ag多層膜的同步輻射X射線衍射力學(xué)行為研究48-67
• 3.1 前言48
• 3.2 材料選擇與制備48-52
• 3.2.1 基體選擇48-49
• 3.2.2 薄膜材料49-50
• 3.2.3 薄膜制備50-52
• 3.3 Cu/Ag多層膜的微觀結(jié)構(gòu)表征方法52-53
• 3.4 Cu/Ag多層膜微觀力學(xué)行為的原位表征方法53-57
• 3.4.1 拉伸機(jī)拉伸速率參數(shù)的確定53-55
• 3.4.2 同步輻射X射線衍射原位拉伸實(shí)驗(yàn)55-57
• 3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果57-61
• 3.5.1 退火工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響57
• 3.5.2 Cu/Ag多層膜的微觀結(jié)構(gòu)57-59
• 3.5.3 同步輻射X射線衍射原位測(cè)量結(jié)果59-61
• 3.6 討論與分析61-66
• 3.7 本章小結(jié)66-67
• 第4章 受限形變Cu/Cr多層膜Cu層力學(xué)行為的尺度及界面效應(yīng)67-92
• 4.1 前言67-68
• 4.2 材料選擇與制備68-71
• 4.2.1 薄膜材料68-69
• 4.2.2 薄膜制備69-71
• 4.3 Cu/Cr多層膜的微觀結(jié)構(gòu)表征方法71
• 4.4 常規(guī)XRD原位拉伸實(shí)驗(yàn)71-72
• 4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論72-90
• 4.5.1 Cu單層膜延性與濺射功率的關(guān)系72-73
• 4.5.2 Cu/Cr多層膜形變前的微觀結(jié)構(gòu)73-76
• 4.5.3 Cu/Cr多層膜形變機(jī)制及其尺度及界面效應(yīng)76-82
• 4.5.4 Cu/Cr多層膜中Cu層延性的尺度及界面效應(yīng)82-85
• 4.5.5 Cu/Cr多層膜中Cu層強(qiáng)度的尺度及界面效應(yīng)85-90
• 4.6 本章小結(jié)90-92
• 第5章 激光沖擊強(qiáng)化TC11鈦合金受限形變內(nèi)應(yīng)力研究92-108
• 5.1 前言92-93
• 5.2 材料和激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)93-96
• 5.2.1 材料選擇93-94
• 5.2.2 材料熱處理94
• 5.2.3 激光沖擊強(qiáng)化試樣制備94-96
• 5.3 TC11鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)表征方法96
• 5.4 同步輻射X射線衍射內(nèi)應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)96-97
• 5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果97-102
• 5.5.1 TC11鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)97-98
• 5.5.2 TC11鈦合金雙光斑沖擊試樣的無應(yīng)變點(diǎn)d098-100
• 5.5.3 TC11鈦合金雙光斑沖擊試樣的殘余應(yīng)變沿深度的分布100-102
• 5.6 討論與分析102-106
• 5.7 本章小結(jié)106-108
• 結(jié)論108-110
• 參考文獻(xiàn)110-122
• 攻讀學(xué)位期間代表性論文與研究成果清單122-124
• 致謝124-125
• 作者簡(jiǎn)介125

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：826530