铜基多层结构复合材料的制备工艺及力学性能研究

发布时间：2020-11-19 00:14

【摘要】：随着工程材料需求的日益增加,具有高强度并拥有良好塑性的金属材料越来越受到人们的广泛关注。通过大塑性变形技术,材料的强度提升较多,但丧失了大部分塑性。为了避免强度-塑性的矛盾,异质结构的创建特别有益,异质结构中存在的应变梯度可以促进强度-塑性的协调作用。异质多层结构利用了成分材料的优良性能,通过调整组成层和界面,明显改善材料的力学性能。铜具有优异的塑性,但强度和耐磨性较差,铜及铜合金的传统性能限制了其在各个领域的进一步应用。目前,异质多层材料中关于力学行为的系统研究较少。本文主要通过采用电镀工艺,制备出多层结构材料铜及铜合金,研究其力学性能。采用电镀和表面机械研磨处理技术成功制备出多层梯度结构铜,通过控制前处理过程并对镀液配方进行改进,得到均匀致密的镀层,较好地解决了层间结合问题。通过多层间结合及不同尺寸晶粒间的协调变形,获得了综合性能良好的多层梯度铜材料。通过对比发现,多层结构确实能在单层梯度结构的基础上进一步提高材料的强度,突破单层的限制。由于镀层与基体间存在一定的结构突变,其性能的突变及不同层间的结合力对多层结构材料的塑性有着较大影响。纯铜作为基体,采用电镀工艺,制备Ni镀层,获得了不同厚度比的Cu/Ni层状复合材料,研究了不同厚度比对层状复合材料力学行为的影响,结果表明镀层与基体厚度比的适当组合可能会使复合材料的强度和塑性得到更好的协调。镀层和基体之间进行相互协调变形,复合材料的屈服强度主要取决于Ni和Cu层的内在强度。电镀Ni后采用SMAT技术使镀层晶粒进一步细化,屈服强度明显提高,且镀层和基体的结合更加致密,在拉伸过程中仍保持良好的结合,不容易分离,使得更好的协调变形,保留其部分塑性。纯铜作为基体,采用电镀工艺,制备交替存在的Ni镀层与Cu镀层,得到Cu/Ni多层结构材料,分析了Cu/Ni多层材料强度和塑性的应变速率依赖性及其机理,发现多层材料具有明显的应变速率敏感性(较大的m值)是层状结构中界面处的应力梯度引起的。Cu/Ni多层材料的高强度并不完全是Ni镀层提供,其中一部分来源于界面处大量位错堆积产生的背应力。层状结构材料中具有明显的包申格效应,当应变速率提高时,应变梯度增大,从而产生较多的几何必须位错阻碍位错的运动,有助于较高的背应力,背应力越大对强度的贡献越多。通过不同的测试方法分析铜基多层结构复合材料的力学性能及微观结构,结果表明,三层梯度结构铜的力学性能优于双层梯度结构铜,单次镀层越厚、梯度层数越多,得到的样品性能越好;当Cu基体与Ni镀层的厚度比介于12~8之间时,Cu/Ni层状复合材料实现了软相与硬相的良好的协调变形,使强度-塑性有较好的匹配;在Cu/Ni多层结构材料中,10min样品的界面较多,背应力较高,强度较高,其力学性能优于30min样品。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 铜及铜合金
        1.1.1 铜的基本性质
        1.1.2 铜合金的分类及应用
    1.2 金属材料的强度和塑性
        1.2.1 金属材料的强度
        1.2.2 金属材料的塑性
        1.2.3 金属材料的强度-塑性匹配
    1.3 层状复合材料
        1.3.1 金属层状复合材料的特点
        1.3.2 金属层状复合材料的制备
    1.4 电沉积工艺
        1.4.1 电镀简介
        1.4.2 镀层的分类及生长机制
        1.4.3 电沉积工艺研究进展
    1.5 课题研究的内容及意义
        1.5.1 课题研究的内容
        1.5.2 研究意义
第二章 实验内容及步骤
    2.1 实验材料及设备
        2.1.1 实验用材料及预处理
        2.1.2 主要实验药品及仪器设备
    2.2 实验方案设计
    2.3 实验过程
        2.3.1 表面机械研磨处理
        2.3.2 电镀
    2.4 力学性能测试
        2.4.1 拉伸性能测试
        2.4.2 显微硬度测试
        2.4.3 包申格效应测试
        2.4.4 应变速率突变实验
        2.4.5 应力松弛实验
    2.5 微观结构
        2.5.1 金相显微镜分析
        2.5.2 扫描电子显微镜
        2.5.3 能谱分析
        2.5.4 电子背散射衍射分析
第三章 多层梯度结构铜的制备及性能
    3.1 酸性镀铜工艺研究
        3.1.1 电镀铜前处理工艺
        3.1.2 电镀铜的镀液配方及工艺条件
        3.1.3 电沉积工艺参数对镀层质量的影响
    3.2 多层梯度结构铜的制备
        3.2.1 不同时间SMAT处理所得双层梯度铜的性能
        3.2.2 不同时间电镀所得多层梯度铜的性能
        3.2.3 多层梯度结构铜的断裂特征
    3.3 本章小结
第四章 铜/镍层状复合材料的力学行为
    4.1 Cu/Ni层状复合材料的制备
        4.1.1 镀Ni前基体的预处理
        4.1.2 Ni镀液的配方
    4.2 不同厚度比的Cu/Ni复合材料的力学行为
        4.2.1 微观组织
        4.2.2 显微硬度
        4.2.3 拉伸性能
        4.2.4 断口形貌
    4.3 表面机械研磨处理对Cu/Ni复合材料力学性能的影响
        4.3.1 微观组织
        4.3.2 显微硬度
        4.3.3 拉伸性能
        4.3.4 断口形貌分析
    4.4 本章小结
第五章 铜/镍多层结构材料的力学行为
    5.1 微观组织
        5.1.1 金相组织分析
        5.1.2 电子背散射衍射分析
        5.1.3 能谱分析
        5.1.4 断口形貌分析
    5.2 硬度测试
    5.3 Cu/Ni多层结构材料的应变速率敏感性
        5.3.1 拉伸性能
        5.3.2 应变速率突变测试
    5.4 Cu/Ni多层结构材料的应力松弛行为
    5.5 Cu/Ni多层结构材料的背应力硬化
        5.5.1 背应力的测试表征
        5.5.2 背应力硬化
    5.6 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录 攻读硕士期间发表论文目录

【参考文献】

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本文编号：2889411