塑性变形制备纳米铝及其热稳定性研究
发布时间：2021-10-25 23:26
纳米结构材料由于独特的结构和优异的性能而备受关注,塑性变形是制备纳米金属材料的有效方式之一,但通过一般的塑性变形难以有效地细化纯铝的微观结构。研究发现低温变形和复合塑性变形能够细化晶粒,为纯铝的进一步细化提供了条件。本研究利用轧制和高压扭转对1060工业纯铝进行了低温变形处理,制备出了纳米晶纯铝样品。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及背散射电子衍射技术等手段对样品的微观结构进行了表征;利用显微硬度仪进行力学性能测试;研究了不同变形条件对于微观结构的影响,对比了超细晶与纳米晶材料的稳定性差别。主要的研究结果如下:（1）低温冷轧1060工业纯铝的微观组织和力学性能液氮下进行轧制处理后纯铝晶粒的饱和尺寸为270 nm,其形貌主要是层片结构,存在大量的小角晶界以及位错结构。轧制后1060工业纯铝的显微硬度随着晶粒尺寸的减小而增加,当晶粒尺寸为270 nm时硬度可达到440 MPa。（2）高压扭转1060工业纯铝的微观组织和力学性能对冷轧后的纯铝试样进行高压扭转处理,首次在工业纯铝中获得了尺寸为70nm的等轴晶粒,发现材料中晶界以大角度晶界为主,同时还存在少量孪晶界;另外材料的硬...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)纳米结构材料的二维模型；晶体中心的原子用黑色表示，晶界核心区域原子示为
塑性变形制备纳米晶铝及其热稳定性研究2Valiev教授[8]带领其团队发展了剧烈塑性变形技术制备出了超细晶，之后研究者才对纳米的制备方式进行了深入的探索。近些年来发展了多种纳米材料的制备方法，并且在其结构、性能等方面进行了广泛的研究[9,10]，逐渐认识到了纳米材料在扩散[11]、疲劳[12]、强塑性[13]、稳定性[14,15]等方面的差别，同时对微观变形机制进行了详细的分析[6]，为材料的设计和使用提供了坚实的理论基矗Siegel[16]根据纳米材料的维度将其分为4类。0D-纳米团簇；1D-多分子层；2D-纳米层；3D-等轴固体晶。随着对纳米结构晶体认识的不断深入，Gleiter[5]按照材料的成分、形态以及纳米结构的分布进一步将纳米晶进行了详细的分类。如图1.2所示，按照形状分为3类，柱状纳米晶结构；层片纳米晶结构以及等轴纳米晶结构；根据晶体的化学组成，这三类结构可以分为四种类型，晶内和晶界的组成成分相同、晶内化学成分不同、晶界和晶内的化学元素都不相同以及纳米尺度析出相弥散分布在不同化学成分的基体中[5]。图1.2纳米结构材料基于其结构组元的化学成分和不同纳米尺寸维度的分类[5]1.2超细晶/纳米晶材料的制备自纳米晶的概念提出以来，制备大尺寸、致密并且无污染的块体纳米结构材料一直是困扰大家的难点。经过多年的研究发展，目前将纳米材料的制备方法分为两种类型，即“自下而上（bottom-up）”法和“自上而下（top-down）”法。“自下而上”是通过化学或者物理的方法把原子或者原子团簇合成为纳米尺度的晶粒，一般包括磁控溅射法（Magnetronsputtering）[17]、电解沉积法（Electrodeposition）[18]、化学气相沉积法（Chemicalvapordeposition）[19]等，采用此类方法制备纳米晶过程中会引入杂质、气孔等缺陷，存在样品致密度低以及
过变形把微观结构破碎至纳米尺度，是近年来制备块体纳米晶材料主要的方法，包括轧制（CollRolling，CR）[20,21]、高压扭转（HighPressureTorsion，HPT）[22,23]、等通道挤压（EqualChannelAngularPressing，ECAP）[24,25]、累计叠轧（AccumulativeRoll-Bonding，ARB）[26,27]、动态塑性成形（DynamicPlasticDeformation，DPD）[28,29]以及表面机械研磨处理（SurfaceMechanicalGrindingTreatment，SMRT）[30,31]等。相比较之下塑性变形制备纳米金属工艺较简单，污染少。下面将主要介绍几种塑性变形方式。1.2.1冷轧（CR）图1.3（a）为轧制过程的简单示意图[32]，其原理是使平板样品通过具有一定间距并相向转动的轧辊，致使样品在厚度方向产生一定的压下量而发生塑性变形。随着样品通过轧辊次数的增加，塑性变形量不断增大，使样品中原始的粗大晶粒尺寸细化至亚微米量级，甚至是纳米量级。经室温冷轧制备的金属材料，其晶粒的尺寸通常为亚微米量级，随应变进一步增加，晶粒尺寸保持不变，而晶粒之间取向差逐渐增大[10]。Hansen[33,34]等人对不同金属轧制后的结构、性能进行了广泛的研究，发现经过轧制以后粗晶得到细化，晶粒成层片状，最小的层片厚度能达到几百纳米，材料的力学性能得到提升，但是继续增大应变量会导致回复，晶粒长大。Wang[35]等人发展了低温冷轧变形方法，将样品浸泡在液氮中，等到样品镇静之后速取出立即进行冷轧变形，通过该法制备了平均晶粒尺寸为22nm的纳米晶纯铜样品。(a)(b)图1.3(a)轧制[32](CR)原理图，(b)等通道挤压[8](ECAP)原理图1.2.2等通道挤压（ECAP）等通道挤压是上世纪80年代初由Segal[8]等人发展起来的一种可以实现大剪切变形量的金属成型技术，当时并没有引起学术界广泛的重视，直到90年代以后，Valiev
【参考文献】：
期刊论文
[1]梯度纳米结构材料[J]. 卢柯. 金属学报. 2015(01)
[2]纳米结构金属材料的塑性变形制备技术[J]. 陶乃镕,卢柯. 金属学报. 2014(02)
[3]Effects of Strain Rate and Deformation Temperature on Microstructures and Hardness in Plastically Deformed Pure Aluminum[J]. F. Huang, N.R. Tao and K. Lu Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China. Journal of Materials Science & Technology. 2011(01)
博士论文
[1]塑性变形制备纳米金属材料的稳定性研究[D]. 周鑫.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]冷轧工业纯铝退火强化性能的研究[D]. 张宁.上海交通大学 2010
本文编号：3458367
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)纳米结构材料的二维模型；晶体中心的原子用黑色表示，晶界核心区域原子示为
塑性变形制备纳米晶铝及其热稳定性研究2Valiev教授[8]带领其团队发展了剧烈塑性变形技术制备出了超细晶，之后研究者才对纳米的制备方式进行了深入的探索。近些年来发展了多种纳米材料的制备方法，并且在其结构、性能等方面进行了广泛的研究[9,10]，逐渐认识到了纳米材料在扩散[11]、疲劳[12]、强塑性[13]、稳定性[14,15]等方面的差别，同时对微观变形机制进行了详细的分析[6]，为材料的设计和使用提供了坚实的理论基矗Siegel[16]根据纳米材料的维度将其分为4类。0D-纳米团簇；1D-多分子层；2D-纳米层；3D-等轴固体晶。随着对纳米结构晶体认识的不断深入，Gleiter[5]按照材料的成分、形态以及纳米结构的分布进一步将纳米晶进行了详细的分类。如图1.2所示，按照形状分为3类，柱状纳米晶结构；层片纳米晶结构以及等轴纳米晶结构；根据晶体的化学组成，这三类结构可以分为四种类型，晶内和晶界的组成成分相同、晶内化学成分不同、晶界和晶内的化学元素都不相同以及纳米尺度析出相弥散分布在不同化学成分的基体中[5]。图1.2纳米结构材料基于其结构组元的化学成分和不同纳米尺寸维度的分类[5]1.2超细晶/纳米晶材料的制备自纳米晶的概念提出以来，制备大尺寸、致密并且无污染的块体纳米结构材料一直是困扰大家的难点。经过多年的研究发展，目前将纳米材料的制备方法分为两种类型，即“自下而上（bottom-up）”法和“自上而下（top-down）”法。“自下而上”是通过化学或者物理的方法把原子或者原子团簇合成为纳米尺度的晶粒，一般包括磁控溅射法（Magnetronsputtering）[17]、电解沉积法（Electrodeposition）[18]、化学气相沉积法（Chemicalvapordeposition）[19]等，采用此类方法制备纳米晶过程中会引入杂质、气孔等缺陷，存在样品致密度低以及
过变形把微观结构破碎至纳米尺度，是近年来制备块体纳米晶材料主要的方法，包括轧制（CollRolling，CR）[20,21]、高压扭转（HighPressureTorsion，HPT）[22,23]、等通道挤压（EqualChannelAngularPressing，ECAP）[24,25]、累计叠轧（AccumulativeRoll-Bonding，ARB）[26,27]、动态塑性成形（DynamicPlasticDeformation，DPD）[28,29]以及表面机械研磨处理（SurfaceMechanicalGrindingTreatment，SMRT）[30,31]等。相比较之下塑性变形制备纳米金属工艺较简单，污染少。下面将主要介绍几种塑性变形方式。1.2.1冷轧（CR）图1.3（a）为轧制过程的简单示意图[32]，其原理是使平板样品通过具有一定间距并相向转动的轧辊，致使样品在厚度方向产生一定的压下量而发生塑性变形。随着样品通过轧辊次数的增加，塑性变形量不断增大，使样品中原始的粗大晶粒尺寸细化至亚微米量级，甚至是纳米量级。经室温冷轧制备的金属材料，其晶粒的尺寸通常为亚微米量级，随应变进一步增加，晶粒尺寸保持不变，而晶粒之间取向差逐渐增大[10]。Hansen[33,34]等人对不同金属轧制后的结构、性能进行了广泛的研究，发现经过轧制以后粗晶得到细化，晶粒成层片状，最小的层片厚度能达到几百纳米，材料的力学性能得到提升，但是继续增大应变量会导致回复，晶粒长大。Wang[35]等人发展了低温冷轧变形方法，将样品浸泡在液氮中，等到样品镇静之后速取出立即进行冷轧变形，通过该法制备了平均晶粒尺寸为22nm的纳米晶纯铜样品。(a)(b)图1.3(a)轧制[32](CR)原理图，(b)等通道挤压[8](ECAP)原理图1.2.2等通道挤压（ECAP）等通道挤压是上世纪80年代初由Segal[8]等人发展起来的一种可以实现大剪切变形量的金属成型技术，当时并没有引起学术界广泛的重视，直到90年代以后，Valiev
【参考文献】：
期刊论文
[1]梯度纳米结构材料[J]. 卢柯. 金属学报. 2015(01)
[2]纳米结构金属材料的塑性变形制备技术[J]. 陶乃镕,卢柯. 金属学报. 2014(02)
[3]Effects of Strain Rate and Deformation Temperature on Microstructures and Hardness in Plastically Deformed Pure Aluminum[J]. F. Huang, N.R. Tao and K. Lu Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China. Journal of Materials Science & Technology. 2011(01)
博士论文
[1]塑性变形制备纳米金属材料的稳定性研究[D]. 周鑫.中国科学技术大学 2019
硕士论文
[1]冷轧工业纯铝退火强化性能的研究[D]. 张宁.上海交通大学 2010
本文编号：3458367
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