循环变形条件下单晶和孪晶铜的力学特性

发布时间：2020-11-12 23:10

　　 纳米结构金属常具有独特的物理、机械和化学性质,是目前材料科学领域的研究热点之一。金属的力学性能不仅受到内部结构的影响,如晶体取向、晶粒尺寸和孪晶层厚等,同时也受到大变形处理的影响。对于宏观块体材料,剧烈塑性变形可以提高金属的力学特性。然而,这种剧烈的塑性变形并不适合微纳米尺度金属材料。已有报道表明,对于微纳尺度金属材料,通过循环变形处理可以进一步提高纳米金属的力学特性。但是,针对不同内部结构的纳米金属,在循环变形条件下的力学特性仍然缺乏系统的研究,其相关变形机制仍然没有达成共识。本文以单晶、超细孪晶和纳米孪晶铜为研究对象,利用磁控溅射制备了超细孪晶和纳米孪晶铜,利用纳米压痕对样品进行了循环变形并测量了硬度,采用X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等方法表征了样品的微结构特征。研究了单晶、超细孪晶和纳米孪晶铜在循环变形下的力学行为,探讨了其微观塑性变形机制。主要结论如下:1.对于单晶铜,单次加载条件下,不同取向硬度大小为(111)(110)(100)。循环变形条件下,随着循环次数增加(步长减小),硬度保持不变,直到步长小于5 nm后,硬度才开始增加。即使三种取向单晶铜在不同压入深度时,该临界步长仍为5 nm。当步长小于5 nm时,自由表面的镜像力能够对形核产生的位错起到吸引作用并将其吸引到自由表面,降低了晶体内部位错密度,进一步的塑性变形主要依赖位错形核来完成,而位错形核需要更高的应力来完成。因此,单晶铜的循环强化机制为位错匮乏。这与我们的理论计算结果(当位错距离自由表面小于6.4 nm会被表面所吸收)基本一致。2.对于超细孪晶铜薄膜,循环变形条件下,压入深度不同,硬度随着循环次数的增加而增加。这是由于其晶粒尺寸为212 nm,孪晶层厚为15.1 nm,在具有比较高的界面密度同时具有很高的位错存储能力。在循环变形中,位错可以不断地堆积在晶界和孪晶界处,形成林位错,提高了位错运动的阻力,进而提高了薄膜的应变硬化行为。因此,循环变形中超细孪晶铜的强化机制为林位错强化。3.纳米孪晶铜薄膜的硬度随着循环次数的变化规律与单晶、超细晶孪铜都不同。在压入深度不同时,随着循环次数的增加,纳米孪晶铜的硬度先增加后减小,存在一个最大值。这是由于,其晶粒尺寸为22.4 nm,孪晶层厚为2.3 nm,在循环变形过程中,堆积在晶界和孪晶界处的位错很容易达到饱和,当位错达到饱和后,首先会在孪晶界中间形成非共格孪晶界,发生去孪晶化,然后诱导晶界滑移,降低了位错存储能力,出现软化现象。因此,纳米孪晶铜的循环硬化机制为位错与界面的反应,循环软化是去孪晶化和晶界滑移共同作用的结果。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.11
【部分图文】：

的载荷下降。这样的硬化响应与形核后立即形成的位错锁结构有关［１６］。尤其是，??成核位置和形成锁的位置是重合的，都位于四个等效滑移系统（用阴影三角形表??示）所在的中轴线的交点上（图１－１?（ａ））。位错锁构成了一个楔形区域，该楔形??区域以两个丨１１１丨滑移面为界，从而限制了楔形体内部的塑性变形，阻止载荷下??降。此外，楔形体传递压头载荷并在其尖端产生应力集中，在较大的压头压入时，??由于位错在楔尖位置的非均匀位错成核而产生载荷下降（如图１－１?（ｄ））。考虑到??在（１００）面压痕中位错锁主导应力松弛，Ｗａｎｇ等人［１５］认为这种类型的位错锁??可以作为异质形核源来启动位错崩塌，这导致了实验测得的压头位移突跳现象。??（ａ）?ａ陶?１?ｎ?（ｔ００］?；］?｜?ｎｎｉ??＾?Ｍ?＾??ｍｓｉ???－ｖ＇?＾??（ｂ）?————一－?———＇?（Ｃ）?＼ｃ＾ｍ｝??０ＪＳ，?—?｛，ｕ＞?Ａ?，…一ｗ找應?＊??－（．？〇＞?／＼??ｉ?一《酬／??Ｔ?０ＪＳ?／Ａ?／?：?ｗ??Ｉ?０．１?》?（ｄ）??一?．?＿??０?Ｑ２?０４?０．６?ｍ?Ｉ??Ｉｎｍｊ??图１－１单晶Ｃｕ?（１１１）、（１１０）和（１００）面纳米压痕的模拟：（ａ）位错形核位置

和Ｃｌｅｇｇ［３２］，以及Ｄｅｍｉｒ［２８］以及Ｂｕｄｉｍａｎ等人［２３］报道中发生在原子模拟的尺??度效应中硬度和位错密度随着压入深度的变化趋势。他们采用Ｄｅｍｉｒ等人［４３］的??实验参数。图１－３?（ａ）给出了平均接触应力与压痕深度Ａ变化曲线，这里接触应??力等同于塑性区域的硬度／／，在弹性区域，随着压入深度的增加而增加。然而，??图１－３?（ａ）表明，在初始塑性变形之后，平均接触应力随着压入深度的增加而增??力口。Ｙａｇｈｏｏｂｉ和Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ等人［３６］假设塑性变形区域是一个有着ｉ？ｐｚ?＝?／ａｃ半径??的半球形，其中／是一个常数。他们使用了不同的／值，／＝?１．５，２．０，２．５，３．０??和３．５，用来研究压痕过程中塑性变形区域尺寸对位错密度的影响。位错密度ｐ??关于压入深度／／的关系如图１－３?（ｂ）所示，随着压入深度的增加，在不同／值中??位错密度都是随着压入深度的增加而增加的。根据Ｔａｙｌｏｒ硬化模型，因为位错密??度随着压入深度的增加而增加，硬度应该也是增加的。然而，图卜３?（ａ）表明随??５??

Ｓｏｅｒ等人［３８］、Ｈｏｕ等人［３９］和Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ等人［４０－４５］比较了单晶和多晶在纳??米压痕过程中的响应，从理论和实验两方面总结了晶界（ｇｒａｉｎ?ｂｏｕｎｄａｒｙ，ＧＢ）??与压痕尺寸效应之间的相互作用。如图１－４所示，在单晶Ａ１中，可以观察到常??规尺寸效应的趋势。然而，在多晶Ａ１中，由于晶界的影响，可以观察到局部硬??化。为了解释晶界效应，Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ和他的同事［３９－４７］根据ＧＮＤｓ的概念提出了理??论模型。??６??
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 李言;孔祥健;郭伟超;杨明顺;;纳米压痕技术研究现状与发展趋势[J];机械科学与技术;2017年03期

2 余东海;王成勇;成晓玲;宋月贤;;磁控溅射镀膜技术的发展[J];真空;2009年02期

3 张泰华,杨业敏,赵亚溥,白以龙;MEMS材料力学性能的测试技术[J];力学进展;2002年04期

相关硕士学位论文 前1条

1 徐丽君;纳米多重孪晶金属薄膜的尺度效应及其力学性能研究[D];南京大学;2015年

本文编号：2881359