复杂应力状态下超细晶材料的力学性能研究

发布时间：2017-09-30 20:20

  本文关键词：复杂应力状态下超细晶材料的力学性能研究

  更多相关文章： 颈缩 复杂应力状态 力学性能 变形机制

【摘要】：超细晶金属材料具有高强度,但其低的拉伸塑性限制了其工业应用,这是由于超细晶材料的晶粒尺寸比较小,位错难以在晶粒内部累积产生加工硬化所致。不少研究者通过改变超细晶材料的微观结构使其重获加工硬化能力,也有不少学者从外部变形条件入手提高其拉伸塑性,目前已有的实验结果表明超细晶材料在低温和高应变速率下塑性有所提升,但应力状态对超细晶材料力学性能的影响仍缺乏相关的研究。本工作主要探讨应力状态对超细晶材料力学性能的影响,由于材料在颈缩产生后由单向应力状态变为多轴应力状态。通过研究超细晶材料在颈缩后的塑性变形能力,并通过进一步引入的缺口拉伸试验来分析应力状态对超细晶材料力学性能的影响。实验分别选取剧烈塑性变形法制备的超细晶铜、超细晶铝、超细晶钛和其同成分粗晶材料进行拉伸实验,在拉伸过程中配合使用三维光学应变测量系统(ARAMIS)得到超细晶材料和粗晶材料拉伸变形的全过程以及应变分布情况,同时有限元模拟给出颈缩区域和缺口区域的应力分布和应力三轴度,韧性断裂机制和断口的相关信息通过扫描电镜(SEM)给出,得出以下结论：1. 虽然超细晶材料与粗晶材料工程应力——应变曲线上整体的断裂延伸率相差很大,但仅考虑处于多轴应力状态下的颈缩阶段,发现颈缩区域超细晶材料和粗晶材料的塑性变形能力相当,并且两者颈缩区域的轴向真实应力均比单向应力状态下有所提高。缺口实验进一步证实复杂应力状态下超细晶材料的强度提高,并且塑性变形能力与粗晶材料相当。2. 有限元模拟揭示了颈缩区域和缺口处的应力状态和应力三轴度。应力三轴度影响材料的断裂应变。随着应力三轴度的提高,材料的断裂应变下降,并且粗晶铜更为明显。由于金属材料的韧性破断都是源于空穴的形核、长大与聚合。随着应力三轴度的提高,空穴的扩张速率越快,同时空穴的长大与位错的运动有关,由于晶界对位错运动的阻碍作用,空穴难以从一个晶粒向另一个晶粒扩展,使得超细晶材料中的空穴长大比较困难。因此,随着应力三轴度的提高,超细晶材料断裂应变下降的幅度比粗晶材料低。3.应力状态影响超细晶材料的变形机制。复杂应力状态下,材料的塑性变形被抑制,变形集中于局部区域内,为了继续变形必须提高轴向应力；随着应力的提高能够激发超细晶材料内部更多的滑移系或其他变形机制(晶界迁移)参与变形,使得超细晶铜的塑性变形能力与粗晶铜相当。应力状态对粗晶材料的变形机制影响很小
【关键词】：颈缩 复杂应力状态 力学性能 变形机制
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG113.25
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 引言10
• 1.2 超细晶材料的制备方法10-11
• 1.3 超细晶材料的力学性能11-14
• 1.3.1 强度11-12
• 1.3.2 塑性12-14
• 1.4 应力状态对超细晶材料力学性能的影响14-16
• 1.5 超细晶材料的塑性变形机理16-17
• 1.5.1 位错协调变形机制16-17
• 1.5.2 晶界协调变形机制17
• 1.6 颈缩17-20
• 1.6.1 颈缩区域的应力18-19
• 1.6.2 颈缩的影响机制19-20
• 1.7 韧性材料的断裂机理20-24
• 1.7.1 韧窝型断裂20-21
• 1.7.2 剪切型断裂21
• 1.7.3 宏观断裂模式与应力三轴度的关系21-23
• 1.7.4 断裂判据23-24
• 1.8 本课题的研究意义和研究内容24-25
• 第二章 实验材料及实验方法25-31
• 2.1 实验材料的制备25-26
• 2.2 微观结构表征26-27
• 2.2.1 电子背散射衍射(EBSD)观察26-27
• 2.2.2 透射电镜(TEM)观察27
• 2.2.3 扫描电镜(SEM)观察27
• 2.2.4 原子力显微镜(AFM)观察27
• 2.3 拉伸实验27-28
• 2.3.1 光滑试样的拉伸27
• 2.3.2 缺口试样的拉伸27-28
• 2.4 非接触式应变测量28-30
• 2.5 有限元模型30-31
• 第三章 复杂应力状态下超细晶材料的力学性能及断口分析31-49
• 3.1 单轴拉伸实验31-41
• 3.1.1 超细晶铜和粗晶铜的拉伸实验31-35
• 3.1.2 超细晶铝和粗晶铝的拉伸实验35-37
• 3.1.3 超细晶钛和粗晶钛的拉伸实验37-41
• 3.2 缺口拉伸实验41-44
• 3.3 拉伸断口分析44-47
• 3.3.1 超细晶铜和粗晶铜的断口形貌分析44-46
• 3.3.2 超细晶铝和粗晶铝的断口形貌分析46
• 3.3.3 超细晶钛和粗晶钛的断口形貌分析46-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 有限元模拟(FEM)49-55
• 4.1 光滑拉伸试样的模拟结果49-52
• 4.2 缺口拉伸试样的模拟结果52-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第五章 断裂准则与塑性变形机制55-60
• 5.1 平板试样的断裂准则55-56
• 5.2 复杂应力状态下超细晶材料的变形机制56-59
• 5.3 本章小结59-60
• 第六章 主要结论60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-65

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本文编号：950205