本文關鍵詞：不同應變下無氧銅的加載實驗設計與變形產(chǎn)生的位錯研究

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【摘要】：金屬晶體的塑性變形機制一直是力學工程與材料領域研究的重要課題。孿晶、層錯的產(chǎn)生,位錯的滑移以及位移型相變直接影響金屬的塑性變形過程。對于中高層錯能金屬,位錯的滑移是主要的變形機制。位錯密度是描述材料微觀結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)變量,研究位錯密度的變化是聯(lián)系材料宏觀受力與微結(jié)構(gòu)演化的橋梁,是建立材料準確本構(gòu)模型的基礎。本文選取高純度無氧銅作為中高層錯能金屬的代表,對其開展了應變率跨越10個量級(104-106 s-1)的力學加載實驗。通過合理的設計,實現(xiàn)了加載過程的應變可控和熱力學路徑可控。對回收樣品進行了TEM和XRD分析,觀察了不同加載路徑下樣品的位錯結(jié)構(gòu),測定了樣品的位錯密度,采用基于位錯機制本構(gòu)模型描述了樣品的再加載應力-應變關系,主要結(jié)論如下：(1)對樣品開展了增加限制環(huán)的SHPB加載實驗。結(jié)果表明,在限制環(huán)與入射桿接觸前,加限制環(huán)和不加限制環(huán)所得波導桿信號重合。用波導桿信號與用公式(L0-L)/L計算得到的樣品最大應變近似相等,實現(xiàn)了應變的精確控制。(2)研究了樣品沖擊加載下的側(cè)向稀疏效應,計算了樣品內(nèi)部一維應變加載過程和側(cè)向稀疏過程產(chǎn)生的塑性功。結(jié)果表明,側(cè)向稀疏與一維應變加載產(chǎn)生的塑性功之比隨沖擊速度的增加而減小。在一定的沖擊速度下,采用低初始屈服應力的材料可減輕側(cè)向稀疏效應。對飛片、樣品和保護環(huán)(材料同為無氧銅)的尺寸進行設計,開展了10GPa內(nèi)的沖擊加載實驗,回收到的樣品形狀規(guī)整,厚度均勻,側(cè)向稀疏效應得到控制。(3)沖擊加載下樣品和保護環(huán)分離后會產(chǎn)生徑向匯聚波,對彈塑性材料中的球面和柱面徑向匯聚波進行了研究。結(jié)果表明,球面和柱面匯聚波在亞臨界加載下均呈現(xiàn)出E1←P1←E2的波結(jié)構(gòu),超臨界加載下呈現(xiàn)出E1←P1←E2←P2的波結(jié)構(gòu),其中Ei、Pi(i=1,2)分別代表彈性區(qū)和塑性區(qū)。(4)對準靜態(tài)和SHPB加載下的回收樣品進行了TEM分析。結(jié)果表明,在加載應變率相同的條件下,樣品的最大應變越大,位錯胞形態(tài)越完整,胞壁越厚,胞壁內(nèi)的位錯密度也越大；在最大應變相同的條件下,提高加載應變率有利于位錯從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向胞狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。(5)對準靜態(tài)和SHPB加載下的回收樣品開展了X射線衍射實驗,獲得了2θ范圍為30-150度的衍射線形(θ為衍射角)。結(jié)果表明,2θ范圍為30-150度時出現(xiàn)8個標準衍射峰,未出現(xiàn)特征峰的缺失,樣品內(nèi)部無明顯織構(gòu),晶粒取向隨機。對衍射線形進行傅里葉分析,結(jié)合理論和實驗Williamson-Hall關系和Warren-Averbach關系,計算了樣品的位錯密度。結(jié)果表明,在準靜態(tài)加載到0.3應變水平和SHPB加載到0.08應變水平下,樣品的位錯密度分別為1.19×1015m-2和7.63×1014m-2。(6)對回收樣品進行準靜態(tài)再加載實驗,用MTS本構(gòu)模型對再加載應力-應變關系進行了擬合,獲得了樣品零溫下的屈服強度。結(jié)果表明,MTS本構(gòu)模型可以對樣品再加載應力-應變關系進行較好的描述,樣品零溫下屈服強度同位錯密度之間滿足Taylor關系。
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O347
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本文編號：1172124