Cu-Nb层状复合材料微观组织调控与变形行为研究
发布时间：2021-04-02 01:06
现代材料科学的发展和工业技术应用的需要对金属结构材料的强韧化提出了更高的要求,而传统的材料强化方式在提高材料强度的同时往往会导致其塑性的降低,强度与塑性通常是呈倒置关系的。层状构型设计能兼具各组元相的优异性能,达到强度和塑性的良好匹配,表现出优异的综合力学性能。为了研究层厚结构参数对金属层状复合材料力学性能及变形行为的影响,本文利用真空热压、轧制等方法制备了不同层厚体系的Cu-Nb层状复合材料,利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等分析测试手段对该材料进行了微观组织表征,通过室温拉伸试验进行力学性能测试,分析层厚对层状复合材料力学性能的影响,利用白光劳厄微衍射技术分析与表征变形过程中层状结构参数对材料内部位错分布的影响,分析材料微区变形的机理,探究层状构型实现复合材料强韧化的原因。本课题采用真空热压和热压、轧制复合的两种不同的工艺制备了两组等层厚比、不同层厚的Cu-Nb层状复合材料。真空热压工艺制备的材料体系分别为A100、A80、A50、A30四个体系。各体系界面较平直,没有明显的界面缝隙或裂纹,Cu、Nb之间获得了良好的结合,界面处形成了厚度为2μm左...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多层钢复合材料强度-塑性关系示意图[19]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-可以更有效地限制裂纹的扩展。层状复合材料中组元层材料本身的力学特性对材料的力学性能有很重要的影响，只有通过合理恰当的组元层设计才能够获得我们所需要的力学性能。图1-2冷轧Cu、Cu/Al、Cu/CuLMCs均匀延伸率和强度散点图[30]1.3.2界面特性在对层状结构材料的塑性变形的研究中，发现界面在层状材料的变形过程中产生了协调作用，能够调控和再分配应力，改变材料变形过程中的应变分配，从而改变材料的整体力学性能。Lhuissie等人[19]对马氏体/奥氏体多层钢拉伸变形过程中局域应变的分布和演化过程进行了研究，结果表明，层状结构的限制作用使得脆性的马氏体相可以承担20%的拉伸应变且未发生断裂。同时，界面产生的限制效应，可以有效地阻碍裂纹的横向扩展，增加裂纹扩展所需的能量，从而提高材料的断裂韧性以及疲劳性能。Gao等[31]通过建立微观断裂力学模型，指出层状材料的高断裂韧性来源于其高的裂纹容忍能力，并发现界面在层状材料变形过程中可以实现应力的再分配，缓解局部应力集中，从而降低了裂纹形核几率以及裂纹扩展驱动力。Beyerlein等[32]利用物理气相沉积得到的纳米多层材料的典型界面{111}Cu//{110}Nb，满足K-S取向关系，ARB的界面则多数为{112}fcc//{112}bcc与<110>fcc//<111>bcc。Zheng等[33]经高分辨透射电子显微学研究也发现，利用大塑性变形可以使绝大多数Cu-Nb界面形成了具有确定取向关系的、原子级规则有序的半共格界面。Cu-Nb界面取向关系呈现为{112}Cu//{112}Nb，<111>Cu//<110>Nb，满足K-S取向关系。并基于Cu-Nb的研究，总结出了轧制多层材料中稳定界面出现的规律如下：（1）界面两侧晶体的取向对应各自块体多
旖缑嬖诒湫喂?程中对应力、应变的协调作用，从而影响层状材料的综合力学性能。目前已有的研究结果表明，引入强界面可以有效提高界面传递载荷的能力，从而增加组元层材料之间的变形协调性，提升材料塑性。与此相反，有目的性地在层状材料中引入弱界面，诱导材料沿界面脱粘从而延长裂纹扩展路径，实现增韧的目的。1.3.3层厚结构参数层状结构的几何参数，如层厚和层厚比，是优化层状材料力学性能的关键因素。Du等[35]利用热压-轧制的制备工艺制备了一系列不同层厚比结构参数的Ti/Al层状复合材料，对其进行力学性能测试，如图1-3所示，发现Ti/Al层状复合材料的强度基本符合混合定律的预测，但其断裂延伸率超过了其中任一组元，当保持Ti层厚度相同，Ti/Al层状复合材料的断裂延伸率随着Al层厚度的减小有先增大后减小的规律，存在一个极大值使得材料获得最优力学性能。图1-3热轧的Ti和Al及LMC的拉伸工程应力-应变曲线[35]Huang[36]等研究发现，如图1-4所示，在等层厚比层状Ti/Al复合材料中，随着单层层厚的增加，屈服强度呈微弱增幅，但其断裂延伸率呈先减小后增大趋势。在不同层厚比的层状Ti/Al复合材料中，随着Al层厚度减小，屈服强度呈增加趋势，断裂延伸率先增大后减小趋势。Zhang等制备了一系列不同厚度比的Au/Cu，Cr/Cu复合材料，基于位错强化和剪切变形理论，提出了各种界面强化模型，揭示了层厚比与力学性能的相关性[23]。
本文编号：3114296
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多层钢复合材料强度-塑性关系示意图[19]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-可以更有效地限制裂纹的扩展。层状复合材料中组元层材料本身的力学特性对材料的力学性能有很重要的影响，只有通过合理恰当的组元层设计才能够获得我们所需要的力学性能。图1-2冷轧Cu、Cu/Al、Cu/CuLMCs均匀延伸率和强度散点图[30]1.3.2界面特性在对层状结构材料的塑性变形的研究中，发现界面在层状材料的变形过程中产生了协调作用，能够调控和再分配应力，改变材料变形过程中的应变分配，从而改变材料的整体力学性能。Lhuissie等人[19]对马氏体/奥氏体多层钢拉伸变形过程中局域应变的分布和演化过程进行了研究，结果表明，层状结构的限制作用使得脆性的马氏体相可以承担20%的拉伸应变且未发生断裂。同时，界面产生的限制效应，可以有效地阻碍裂纹的横向扩展，增加裂纹扩展所需的能量，从而提高材料的断裂韧性以及疲劳性能。Gao等[31]通过建立微观断裂力学模型，指出层状材料的高断裂韧性来源于其高的裂纹容忍能力，并发现界面在层状材料变形过程中可以实现应力的再分配，缓解局部应力集中，从而降低了裂纹形核几率以及裂纹扩展驱动力。Beyerlein等[32]利用物理气相沉积得到的纳米多层材料的典型界面{111}Cu//{110}Nb，满足K-S取向关系，ARB的界面则多数为{112}fcc//{112}bcc与<110>fcc//<111>bcc。Zheng等[33]经高分辨透射电子显微学研究也发现，利用大塑性变形可以使绝大多数Cu-Nb界面形成了具有确定取向关系的、原子级规则有序的半共格界面。Cu-Nb界面取向关系呈现为{112}Cu//{112}Nb，<111>Cu//<110>Nb，满足K-S取向关系。并基于Cu-Nb的研究，总结出了轧制多层材料中稳定界面出现的规律如下：（1）界面两侧晶体的取向对应各自块体多
旖缑嬖诒湫喂?程中对应力、应变的协调作用，从而影响层状材料的综合力学性能。目前已有的研究结果表明，引入强界面可以有效提高界面传递载荷的能力，从而增加组元层材料之间的变形协调性，提升材料塑性。与此相反，有目的性地在层状材料中引入弱界面，诱导材料沿界面脱粘从而延长裂纹扩展路径，实现增韧的目的。1.3.3层厚结构参数层状结构的几何参数，如层厚和层厚比，是优化层状材料力学性能的关键因素。Du等[35]利用热压-轧制的制备工艺制备了一系列不同层厚比结构参数的Ti/Al层状复合材料，对其进行力学性能测试，如图1-3所示，发现Ti/Al层状复合材料的强度基本符合混合定律的预测，但其断裂延伸率超过了其中任一组元，当保持Ti层厚度相同，Ti/Al层状复合材料的断裂延伸率随着Al层厚度的减小有先增大后减小的规律，存在一个极大值使得材料获得最优力学性能。图1-3热轧的Ti和Al及LMC的拉伸工程应力-应变曲线[35]Huang[36]等研究发现，如图1-4所示，在等层厚比层状Ti/Al复合材料中，随着单层层厚的增加，屈服强度呈微弱增幅，但其断裂延伸率呈先减小后增大趋势。在不同层厚比的层状Ti/Al复合材料中，随着Al层厚度减小，屈服强度呈增加趋势，断裂延伸率先增大后减小趋势。Zhang等制备了一系列不同厚度比的Au/Cu，Cr/Cu复合材料，基于位错强化和剪切变形理论，提出了各种界面强化模型，揭示了层厚比与力学性能的相关性[23]。
本文编号：3114296
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