超细晶铜基合金塑性变形机理及力学性能的研究

发布时间：2017-07-07 07:10

  本文关键词：超细晶铜基合金塑性变形机理及力学性能的研究

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【摘要】：近年来,铜和铜合金以其独特的力学性能和物理性能广泛应用于航天航空、电器仪表、国防等行业,而且富有铜矿资源的云南更是把铜和铜合金作为一个重点领域来研究。优化铜及铜合金的强度和塑性一直以来都是科学研究中的热点,同时也是有待解决的一大科学难题。目前,通过采取大塑性变形工艺(Severe Plastic Deformation, SPD)制备超细晶／纳米晶材料来改善材料的强度和塑性。本课题以纯铜和不同层错能的铜铝、铜锌以及铜铝锌合金为研究对象,探讨了不同的变形加工方法如低温轧制工艺(1ow temperature rolling, LR)、室温轧制工艺(room temperature rolling, RR)、霍普金森压杆变形工艺(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)和表面纳米化工艺(Surface Mechanical Attrition Treatment, SMAT)对材料的显微结构和力学性能的影响,并研究了不同变形工艺下材料的主要变形机理。在塑性变形过程中,外界的因素如应变速率和变形温度等对材料的显微结构、机械性能以及变形机理会产生不同程度的影响。为了探讨变形因素对铜基合金的力学性能和变形机理的影响,将实验内容设计为：分别将Cu-5.5wt%A1-4.5wt%Zn、 Cu-1.86wt%Al-23.89wt%Zn和Cu-1.08wt%A1-2.6wt%Zn进行低温轧制和室温轧制处理；将Cu、Cu-2.2wt%A1和Cu-4.5wt%Al进行霍普金森压杆变形和室温轧制处理；将Cu-10wt%Zn、Cu-20wt%Zn和Cu-30wt%Zn进行退火和表面纳米化(SMAT)处理。本文采用显微硬度测试仪、金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和万能拉伸试验机对不同变形工艺处理的试样的微观结构和力学性能进行了表征分析。实验结果表明,在塑性变形过程中加工温度对材料的微观结构和宏观性能有着重要的影响。同一材料在低温轧制(约77K)下的强度和塑性比室温轧制(293K)下的更高,晶粒尺寸也是低温轧制系列样品的更细。经过低温轧制的Cu-5.5 wt%Al-4.5wt%Zn合金拥有最细的晶粒(21nm),并且表现出最高的强度(785MPa)。由经典的H all-Petch关系可知,在一定范围内减小晶粒尺寸可以改善材料的力学性能。室温轧制工艺的应变速率为5s-1,而霍普金森压杆工艺的应变速率为104 s-1,后者远远高于前者。在一定范围内,应变速率的提高,有助于提高材料的强度和改善塑性。经过霍普金森压杆变形制备的Cu-4.5wt%Al合金的屈服强度达到703MPa,而均匀延伸率也保持2.1%。泽纳-霍洛蒙参数(Z值)反比于变形温度,正比于应变速率,所以低温轧制和霍普金森压杆变形加工的样品拥有更大的Z值。Z值的增加将会抑制动态回复,有助于提高位错塞积的能力并促进变形过程中孪晶的形成,孪晶的增加会提高加工硬化,延迟颈缩,从而改善材料的塑性。所以,霍普金森压杆变形工艺制备的样品比室温轧制工艺制备的样品拥有更好的力学性能。在液氮环境(77K)下,经过表面纳米化处理(SMAT)的材料具有优良的综合力学性能,即拥有较高的强度和良好的塑性。拉伸测试表明,SMAT样品具有一种优越的强度一塑性的配合性,其中Cu-30 wt.%Zn合金同时拥有364MPa的强度和24%的均匀延展性,主要是因为经过SMAT处理的材料从表层到心部产生了一种梯度结构变化,即表层为细晶区而心部为粗晶区。另外,层错能是材料的固有属性,不同成分的铜合金具有不同的层错能,一定范围内降低层错能有利于位错和孪晶的形成以及细化晶粒等。本文还研究了不同层错能和加工条件对材料显微结构和力学性能的影响,以及讨论了他们在变形机理转变过程中的作用。
【关键词】：铜合金 塑性变形 力学性能 层错能 变形机理
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 铜及铜合金13-15
• 1.2.1 铜的基本特征13-15
• 1.2.2 铜合金的分类及应用15
• 1.3 超细晶/纳米晶金属材料的变形机理15-18
• 1.3.1 位错变形机制16
• 1.3.2 形变孪晶机制16-17
• 1.3.3 晶界滑移和晶粒转动机制17-18
• 1.4 金属材料的强化机制18-23
• 1.4.1 细晶强化18-19
• 1.4.2 位错强化19-20
• 1.4.3 固溶强化20-21
• 1.4.4 第二相强化21-23
• 1.5 改善材料塑性的主要方式23-25
• 1.6 大塑性变形方法25-30
• 1.6.1 叠轧法25-26
• 1.6.2 多向锻造26-27
• 1.6.3 高压扭转27-28
• 1.6.4 霍普金森压杆变形28-29
• 1.6.5 表面纳米化29-30
• 1.7 材料力学性能的影响因素30-33
• 1.7.1 层错能31
• 1.7.2 应变量31-32
• 1.7.3 变形温度32-33
• 1.7.4 应变速率33
• 1.8 课题研究的内容及意义33-36
• 第二章 实验的内容与步骤36-44
• 2.1 实验选用的材料及预处理36
• 2.2 实验方案设计36-37
• 2.3 实验变形工艺37-39
• 2.3.1 轧制工艺37-39
• 2.3.2 霍普金森压杆变形工艺39
• 2.3.3 表面纳米化工艺39
• 2.4 显微硬度测试39-41
• 2.5 力学性能测试41
• 2.6 显微组织分析41-44
• 2.6.1 XRD测试分析41-42
• 2.6.2 金相组织观察42
• 2.6.3 扫描电镜分析42-43
• 2.6.4 透射电镜分析43-44
• 第三章 轧制工艺对铜铝锌合金性能的影响44-54
• 3.1 显微硬度测试结果44
• 3.2 拉伸力学性能44-45
• 3.3 XRD测试结果45-47
• 3.4 透射电镜显微组织分析47-49
• 3.5 轧制工艺变形机理的分析及讨论49-53
• 3.5.1 固溶原子对材料的影响49-50
• 3.5.2 变形温度对材料的影响50-52
• 3.5.3 层错能对材料的影响52-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 霍普金森压杆变形对铜铝合金性能的影响54-62
• 4.1 拉伸力学性能54-55
• 4.2 XRD测试结果55-56
• 4.3 透射电镜显微组织分析56-57
• 4.4 变形机理的分析及讨论57-60
• 4.4.1 固溶原子对材料的影响57-58
• 4.4.2 应变速率对材料的影响58-59
• 4.4.3 层错能对材料的影响59-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 表面纳米化工艺对铜锌合金性能的影响62-70
• 5.1 金相组织观察分析62
• 5.2 显微硬度测试结果62-63
• 5.3 拉伸力学性能63-64
• 5.4 扫描电镜显微组织分析64-66
• 5.5 变形机理的分析及讨论66-68
• 5.5.1 应变和应力对材料的影响66-67
• 5.5.2 变形温度对材料的影响67-68
• 5.5.3 层错能对材料的影响68
• 5.6 本章小结68-70
• 第六章 结论70-72
• 致谢72-74
• 参考文献74-84
• 附录 攻读硕士期间发表论文目录84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张国福;纳米粒子的化学制备方法及应用[J];甘肃高师学报;2003年02期

2 姚素兰;;金属材料强化机理的探讨[J];内蒙古农牧学院学报;1992年02期

3 曹凤红;龙思远;廖慧敏;王宇;夏源明;;高应变速率对挤压态AZ61镁合金力学行为的影响[J];特种铸造及有色合金;2009年06期

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本文编号：529201