层错能和两相组织对铜基合金塑性变形机制的影响

发布时间：2020-11-10 14:21

　　 表面机械研磨处理(surface mechanical attrition treatment,SMAT)是一种简单有效的获得超细晶材料的剧烈塑性变形技术。层错能是影响材料SMAT晶粒细化过程的主要因素之一。目前,关于不同层错能面心立方金属SMAT晶粒细化过程的研究已有一定的系统性。但对中低层错能面心立方金属SMAT晶粒细化过程的研究较少。此外,SMAT研究的材料多为纯金属或单相合金。两相合金在剧烈塑性变形中不仅会导致晶粒细化还会伴随着失稳转变的发生,情况复杂。对于两相合金剧烈塑性变形过程的研究仍有不足,还存在有待认识的科学规律。铜合金属于中低层错能面心立方金属,且在塑性变形过程中不发生相变,为研究中低层错能面心立方金属SMAT晶粒细化过程提供了较好的材料基础。在Cu中添加Ti、Zn和Ni合金元素获得不同层错能金属,探究了其在SMAT中的晶粒细化过程。铜钛合金时效相变过程涉及到连续相变和非连续相变,具有丰富的研究内涵。对时效处理铜钛合金进行SMAT,研究了时效处理对铜钛合金SMAT晶粒细化过程的影响。主要研究结果如下:(1)Cu-4Ti合金属于低层错能金属,SMAT过程中未发生相变,其晶粒细化过程包括面排位错和孪生的形成;孪晶交割将晶粒细分为方块;位错墙的形成;微带的形成;微带进一步细分为方块以及多角形晶粒的形成。(2)采用XRD峰位移法测定了铜合金的层错几率。计算结果表明,Ni原子的加入基本不影响铜合金的层错能;Ti原子和Zn原子的加入均降低了铜合金的层错能,且相同质量分数下Ti原子比Zn原子对层错能的影响更大。根据计算结果,按照层错能从小到大,依次研究了Cu-2Ti、Cu-20Zn、Cu-2Zn和Cu-7Ni合金SMAT的晶粒细化过程。层错能是影响SMAT铜合金塑性变形机制的关键因素。本研究中,层错能差异对铜合金SMAT晶粒细化过程的影响主要体现在低应变和低应变速率区,而对高应变和高应变速率区基本没有影响。层错能越低,低应变速率区发生孪生的倾向更大。所研究的铜合金中,层错能由低到高,低应变速率区的变形机制分别为孪晶交割、少量孪晶和位错胞。高应变速率区均以微带为主要的变形机制。SMAT后,所有试样的硬度均随着距处理面深度的增大而减小。表层硬度的提高主要是由于晶粒细化、缺陷密度大等原因。SMAT后,所有试样的屈服强度均较固溶态增大,伸长率有所下降。拉伸试样断口分析表明,由表面到心部,试样的断裂方式从脆性转变为韧性断裂。(3)研究时效处理对铜钛合金塑性变形机制的影响。Cu-4Ti合金在1203K固溶后,分别在773K时效0.5 h、4 h和24 h,对应为调幅分解、峰值时效和过时效阶段。对时效后的试样进行SMAT,分析了不同时效阶段试样SMAT的晶粒细化过程。结果表明,调幅分解和峰值时效阶段SMAT试样的晶粒细化过程与固溶态一致。过时效阶段,由于β-Cu_4Ti相析出,和基体相变形不均匀。β-Cu_4Ti相在应力作用下发生重新溶解,固溶到基体中,并且析出相溶解优先发生在析出相与基体的界面处。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.11
【部分图文】：

2图 1-1 纯铁 SMAT 后的晶粒细化示意图[5]Fig.1-1 A schematic illustration of grain refinement of Fe induced by SMAT[5层错能的层错能大约为 78 mJ/m2。一般认为纯铜属于中等层错能金属程中，在不同的应变速率下出现两种不同的应变诱导晶粒细化速率区 (厚度>25 μm)，塑性变形以位错运动为主。晶粒细化过内位错胞的形成 (图 1-2A1 和 A2)；位错胞壁转变为小取向的粒分割为独立的亚晶(图 1-2 A3)；亚晶界演变为高取向的晶界的晶粒尺寸最小为 100 nm (图 1-2 A5)。

图 1-2 典型的 TEM 明场像(A)和对应的选取电子衍射图(B)，表明 SMAT-5 试样距离最表层不同深度 (从 300 到 25 μm) 的显微组织[11]Fig.1-2 Typical TEM images (A) and the corresponding SAED patterns (B) showing themicrostructures at different depths (from 300 up to 25 μm, as indicated) fromthe topmost surface in SMAT-5 sample[11].距最表层厚度低于 25 μm 时，应变速率增大，形变孪晶在塑性变形中起着重要的作用。随着距最表层厚度的减小，孪晶密度逐渐增大，孪晶厚度逐渐减小 (如图 1-3 所示)。

图 1-2 典型的 TEM 明场像(A)和对应的选取电子衍射图(B)，表明 SMAT-5 试样距离最表层不同深度 (从 300 到 25 μm) 的显微组织[11]Fig.1-2 Typical TEM images (A) and the corresponding SAED patterns (B) showing themicrostructures at different depths (from 300 up to 25 μm, as indicated) fromthe topmost surface in SMAT-5 sample[11].距最表层厚度低于 25 μm 时，应变速率增大，形变孪晶在塑性变形中起的作用。随着距最表层厚度的减小，孪晶密度逐渐增大，孪晶厚度逐渐减小 1-3 所示)。
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本文编号：2878034