纯铜塑性行为的晶粒尺寸与应变速率效应研究

发布时间：2020-06-23 16:32

【摘要】：强度和塑性是结构材料最基本的力学性能。等径角变形等剧烈塑性变形方法通过细化材料内部的晶粒组织,大幅提高了其强度。另一方面,改变材料变形的外在条件对材料的力学行为也会产生影响显著,例如高应变速率变形下,材料的流变应力会明显提高。多晶材料塑性变形时表面会产生粗糙起伏的“桔皮效应”。迄今的研究已经清楚了在常规应变速率条件下晶粒尺寸细至18μm的金属材料的“桔皮效应”产生规律。然而,当晶粒尺寸细化至超细晶/纳米晶尺度时、以及在高应变速率条件下,“桔皮效应”是否依然存在?是否还遵循粗晶时及常规应变速率时的规律?这些问题的答案对于在超细晶/纳米晶的范畴发展“桔皮效应”相关的塑性理论、以及这类新材料的塑性成形和应用具有重要的作用。另一方面,塑性变形中流变应力的应变速率敏感性指数(Strain rate Sensitivity,简称SRS)是表征材料塑性行为的重要参数。业已表明fcc金属的SRS会随着晶粒尺寸的减小而显著升高。这一现象可以用热激活主导的位错滑移模型很好地解释。然而,当应变速率升高到～1103s-1时,塑性变形的主导机制逐渐由热激活机制转变为位错阻尼机制。在这种新的位错阻尼机制主导下,SRS与晶粒尺寸的关系是延续低应变速率下的关系呢,还是有新的表现?非常值得期待。特别是,SRS对高应变速率下的塑性变形作用更为重要。围绕上述问题,本文以fcc无氧纯铜为例,通过对超细晶纯铜进行退火热处理制备出不同晶粒尺寸的试样,通过准静态和动态拉伸试验,研究不同应变速率条件下“桔皮效应”和SRS的晶粒尺寸效应。研究得到如下主要创新性结论:1.与低应变速率下晶粒细化导致SRS增大的规律截然相反,本研究发现在高应变速率下,纯铜SRS随晶粒尺寸增大而显著增高。SRS具有明显的应变速率效应,尤其在高应变速率下,SRS会显著增高。这也是导致高、低应变速率下,SRS随晶粒尺寸变化规律呈现相反趋势的直接原因。2.SRS与晶粒尺寸关系随着应变速率增高而发生反转的原因是:低应变速率下的热激活主导机制转变为高应变速率下的位错阻尼主导机制。基于局部取向差分析的显微组织观察间接证实了这一塑性变形机制的转变,而且随着晶粒尺寸增大位错阻尼机制的作用逐渐增强。根据本文建立的本构模型,SRS由热激活分量和位错阻尼分量两部分组成。在热激活机制主导下,SRS热激活分量与应变速率无关且随着晶粒尺寸的降低而增高,但其值总体较小;而在位错阻尼机制主导下,SRS位错阻尼分量随应变速率快速增大,远超过SRS的热激活分量,并且该分量随晶粒尺寸增加而显著升高。二者共同作用,造成了SRS的晶粒尺寸效应随着应变速率的增高发生反转。3.在细至～0.5μm的晶粒尺寸范围内,变形纯铜表面“桔皮”结构的自仿射分形维数相同,自仿射相关长度与晶粒尺寸成正比。“桔皮效应”的本质是,不同晶粒之间不同的塑性变形特征,导致晶粒间出现空间位置上的交错起伏。细化晶粒不仅降低表面粗糙度Ra,还会降低表面粗糙度增长速率。“桔皮效应”表现出明显的应变速率相关性,高应变速率下生产的表面粗糙度明显大于低应变速率下的表面粗糙度。反映出晶粒之间不同的塑性变形特征会随应变速率增大而加剧。4.在高应变速率变形下,纯铜的流变应力与晶粒尺寸依然符合Hall-Petch关系。其斜率K与应变速率的对数成正比。同时高应变速率下的拉伸变形均匀延伸率也随晶粒尺寸的增大而逐渐增高。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.11
【图文】：

延伸率随晶粒尺寸降低而降低的现象可能是纳米晶材料的固有内禀属性，反映了其本逡逑征低塑性的行为。Ｋｏｃｈ＿等人总结前人的实验结果表明，当晶粒尺寸细化至２５ｎｍ以逡逑下时，材料的拉伸断裂延伸率小于２％，几乎没有拉伸塑性（如图１．２所示）。并且总逡逑结了导致纳米晶材料塑性极差的三种主要原因：加工成形过程引入的缺陷，拉伸逡逑变形失稳，以及裂纹形核与剪切失稳。逡逑２０．０邋逦邋逦逦逦逡逑Ｏ邋Ｃｕ逡逑□邋Ｃｕ逡逑Ｏ邋Ｃｕ逦＾逡逑厶Ｃｕ逡逑＿邋１５．０邋－邋Ｏ逦Ｃｕ逡逑￡逦Ｈ逦Ｃｕ／ＺｒＣ／Ｏ逡逑？逦？逦Ａｌ／Ａｌ６．４Ｚｒ逡逑Ｅ逦■逦ＡＩ－１０Ｔｉ逦？逡逑￡逦？邋Ｐｄ逦Ａ逡逑0邋ｉ0．0邋－邋Ａ邋Ａｇ逦Ｊ逦Ａ逡逑８逡逑Ｉ逡逑Ｓ邋，0：逦Ｕ邋在逡逑明逦■逡逑ａ，邋．邋0逦■邋Ｂ逡逑，！？亡□邋？邋ｓ邋长ｅ逡逑ｑ邋ｑ邋逦ｉ逦ｉ邋ｉ邋ｔ邋ｉ邋■逦＾邋ｉ逦ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋１逦邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑１邋１０邋１００逦１，０００逡逑Ｇｒａｉｎ邋Ｓｉｚｅ邋（ｎｍ）逡逑图１．２拉伸断裂延伸率与晶粒尺寸的关系Ｉ１８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｅｎｓｉｌｅ邋ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｖｅｒｓｕｓ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅ１１８１．逡逑然而，能够准确描述粗晶尺度Ｋ强度与品粒尺寸关系的经典的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ关系在逡逑纳米晶范围内却不再适用。大量实验结果证明

延伸率随晶粒尺寸降低而降低的现象可能是纳米晶材料的固有内禀属性，反映了其本逡逑征低塑性的行为。Ｋｏｃｈ＿等人总结前人的实验结果表明，当晶粒尺寸细化至２５ｎｍ以逡逑下时，材料的拉伸断裂延伸率小于２％，几乎没有拉伸塑性（如图１．２所示）。并且总逡逑结了导致纳米晶材料塑性极差的三种主要原因：加工成形过程引入的缺陷，拉伸逡逑变形失稳，以及裂纹形核与剪切失稳。逡逑２０．０邋逦邋逦逦逦逡逑Ｏ邋Ｃｕ逡逑□邋Ｃｕ逡逑Ｏ邋Ｃｕ逦＾逡逑厶Ｃｕ逡逑＿邋１５．０邋－邋Ｏ逦Ｃｕ逡逑￡逦Ｈ逦Ｃｕ／ＺｒＣ／Ｏ逡逑？逦？逦Ａｌ／Ａｌ６．４Ｚｒ逡逑Ｅ逦■逦ＡＩ－１０Ｔｉ逦？逡逑￡逦？邋Ｐｄ逦Ａ逡逑0邋ｉ0．0邋－邋Ａ邋Ａｇ逦Ｊ逦Ａ逡逑８逡逑Ｉ逡逑Ｓ邋，0：逦Ｕ邋在逡逑明逦■逡逑ａ，邋．邋0逦■邋Ｂ逡逑，！？亡□邋？邋ｓ邋长ｅ逡逑ｑ邋ｑ邋逦ｉ逦ｉ邋ｉ邋ｔ邋ｉ邋■逦＾邋ｉ逦ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋１逦邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑１邋１０邋１００逦１，０００逡逑Ｇｒａｉｎ邋Ｓｉｚｅ邋（ｎｍ）逡逑图１．２拉伸断裂延伸率与晶粒尺寸的关系Ｉ１８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｅｎｓｉｌｅ邋ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｖｅｒｓｕｓ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅ１１８１．逡逑然而，能够准确描述粗晶尺度Ｋ强度与品粒尺寸关系的经典的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ关系在逡逑纳米晶范围内却不再适用。大量实验结果证明

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘金贵;;超声波测量奥氏体钢晶粒尺寸[J];上海金属.有色分册;1987年02期

2 G.Y Sung,余承杰;晶粒尺寸分布对ZnO变阻器势垒电压的影响[J];压电与声光;1988年04期

3 穆祥祺,胡恒亮;PET纤维中的次晶结构及晶粒增大的机理[J];高分子学报;1988年06期

4 高濂,严东生,郭景坤;Y-TZP陶瓷中ZrO_2颗粒大小对相变增韧的影响[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1988年01期

5 冯修吉,汪澜,龙世宗,孙文华;掺杂β-C_2S的晶粒尺寸和微观应力及其与水化活性的关系[J];硅酸盐学报;1988年06期

6 谭德生,张绪礼,周国良,邓传益;施主掺杂BaTiO_3陶瓷中电阻率、晶粒尺寸与氧分压的关系[J];无机材料学报;1988年04期

7 R.L.Smith;王红仙;;超声波测定材料特性[J];锅炉技术;1988年06期

8 陈升媛;;晶粒尺寸对金属磨蚀速度的影响[J];上海金属.有色分册;1988年02期

9 姚宁;李小定;王先厚;李耀会;石列中;;固相氯化法氯化聚乙烯晶粒尺寸的X射线衍射研究[J];应用化学;1988年05期

10 李培恩,林国强,张俊善,王富岗,金俊泽;晶粒尺寸及晶界碳化物对蠕变断裂的影响[J];大连理工大学学报;1989年05期

相关会议论文 前10条

1 蔡展飞;韩金全;王泽林;万敏;;拉伸成形对铝合金晶粒尺寸及表面橘皮的影响[A];创新塑性加工技术，推动智能制造发展——第十五届全国塑性工程学会年会暨第七届全球华人塑性加工技术交流会学术会议论文集[C];2017年

2 佟伟平;刘刚;;纳米纯铁硬度和晶粒尺寸关系研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

3 程杰;季幼章;;掺杂二氧化钛对氧化锌压敏电阻晶粒尺寸分布的影响[A];首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1992年

4 盛世龙;许向红;;晶粒尺寸对Al_2O_3陶瓷热震性能的影响[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

5 陈梓铭;叶轩立;;钙钛矿薄膜的晶粒尺寸调控及其载流子动力学研究[A];第五届新型太阳能电池学术研讨会摘要集（钙钛矿太阳能电池篇）[C];2018年

6 王立平;高燕;薛群基;徐洮;;晶粒尺寸对电沉积纳米晶Ni镀层的电化学腐蚀行为影响[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

7 刘艳辉;孟亮;汪洋;;晶粒尺寸对FeS_2薄膜微应变及光吸收特性的影响[A];第十五届华东地区热处理年会暨华东地区热处理年会三十周年纪念活动论文摘要集[C];2006年

8 甘志鹏;何玉明;刘大彪;张波;沈磊;;晶粒尺寸和样品尺寸对金丝扭转强度的影响[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

9 徐彦霖;王增勇;黄振翅;;使用超声声速法确定HR-2钢的晶粒尺寸[A];中国工程物理研究院科技年报（2000）[C];2000年

10 胡修文;李雨;;晶粒尺寸对岩石宏观力学性质和破坏行为的影响的离散元模拟[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（上）[C];2018年

相关重要报纸文章 前10条

1 贾成厂;铌对超低碳钢铁素体晶粒尺寸的影响[N];世界金属导报;2017年

2 雍岐龙 程莲萍 张国亮 杨天琥 陈华 钟卫 郝建英;Cr30Mo高碳铁素体不锈钢中铌含量的设计与晶粒尺寸控制[N];世界金属导报;2004年

3 记者 郝晓明;纳米金属机械稳定性的反常晶粒尺寸效应发现[N];科技日报;2019年

4 记者 沈春蕾 通讯员 刘言;研究发现纳米金属机械稳定性反常晶粒尺寸效应[N];中国科学报;2019年

5 全荣;Nb含量对超低碳钢铁素体晶粒度的影响[N];世界金属导报;2016年

6 ;一种铜膜的制备方法[N];中国有色金属报;2003年

7 记者 郝晓明;素化将促进材料可持续发展[N];科技日报;2019年

8 林媛 苗晓 张文康;热处理工艺对冷轧硅钢性能的影响[N];世界金属导报;2015年

9 唐佩绵;粉末粒度和晶粒尺寸对Fe-Si压粉铁心铁损的影响[N];世界金属导报;2011年

10 Mohamed Fouad Emam;应用热机械控轧工艺提高API X-60力学性能[N];世界金属导报;2009年

相关博士学位论文 前10条

1 毛泽宁;纯铜塑性行为的晶粒尺寸与应变速率效应研究[D];南京理工大学;2018年

2 冯文;304不锈钢晶界结构演化与晶粒尺寸和变形条件的相关性研究[D];南京理工大学;2018年

3 董峰;基于激光超声的金属板带晶粒尺寸在线检测方法研究[D];北京科技大学;2019年

4 王玉辉;高锰奥氏体钢的微观组织调控及室温和低温力学性能[D];燕山大学;2018年

5 陈思;三维电子封装关键结构TSV-Cu的胀出行为研究[D];北京工业大学;2017年

6 秦秀娟;纳米氧化锌常压/超高压下的烧结及其结构与性能[D];燕山大学;2005年

7 胡亚威;TiC/a-C：H薄膜的制备及性能研究[D];上海交通大学;2007年

8 谭永强;钛酸钡陶瓷的压电晶粒尺寸效应及压电物性改性[D];山东大学;2014年

9 孙铁昱;纳米/亚微米晶钛酸钡铁电陶瓷的晶粒尺寸效应研究[D];清华大学;2010年

10 方焯;BaTiO_3陶瓷晶粒结构及尺寸效应的理论研究[D];华中科技大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 胡惠东;氧化锆晶粒尺寸对钼基催化剂耐硫甲烷化性能的影响研究[D];天津大学;2018年

2 柴雪;细晶型Fe-Ga-B合金薄板织构演变研究[D];东北大学;2015年

3 戴博文;钛酸钡基陶瓷的压电物性研究[D];杭州电子科技大学;2018年

4 黄宇;晶粒尺寸对铈氢化速率的影响[D];中国工程物理研究院;2018年

5 洪橙;300M高强钢加热晶粒尺寸演变研究[D];华中科技大学;2017年

6 陈兵;基于多尺度计算的梯度混晶铁基合金结构设计[D];西南交通大学;2018年

7 陈宁利;绝缘衬底上锡诱导锗低温晶化制备锗锡纳米晶薄膜的研究[D];厦门大学;2017年

8 南盈盈;原位法Ti-TiBw复合材料的制备及其钉扎效应研究[D];西安理工大学;2018年

9 范鑫;晶粒尺寸对3104铝合金板的n值、r值影响[D];东北大学;2015年

10 陈欢;晶粒尺寸对高锰奥氏体低温钢强韧性和加工硬化行为的影响[D];钢铁研究总院;2018年

本文编号：2727607