基于X射线衍射技术的金属材料受限形变行为研究

发布时间：2017-09-10 20:35

  本文关键词：基于X射线衍射技术的金属材料受限形变行为研究

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【摘要】：金属材料形变时由于受到尺度、二维界面、母材局域的约束而呈现出奇特力学行为,此种形变称为受限形变。这种材料受限形变现象在微/纳电机械系统和一些先进结构部件的表面机械处理工艺中广泛存在。金属多层膜是微/纳电机械系统中电子元器件以及互连结构的重要组元,在服役中多层膜受到尺度以及界面约束而发生弹塑性形变,金属多层膜结构组元的形变机制和力学性能影响整个系统的运行性能;激光冲击强化材料表面处理技术广泛应用在工业中,其机制主要是通过冲击区域形变受到母材限制,引入高的残余压应力和位错密度来防止表面拉应力的产生,以提高部件的疲劳性能,冲击后宏/微观残余应力分布状态将影响部件的服役寿命和安全性。本论文以Cu/Ag、Cu/Cr多层膜和双光斑激光冲击强化TC11钛合金两类受限形变金属材料为研究对象,揭示此二类材料受限形变的微观组织演化、微观力学行为及形变机制。采用同步辐射X射线衍射(XRD)原位研究了Cu/Ag多层膜拉伸形变过程中界面受限的力学行为。根据原位实验获取的点阵应变演化,利用广义胡克定律计算出各膜层应力,通过双相应力混合模型定量研究了膜层之间的交互作用力,首次发现塑性形变过程中金属多层膜膜层间存在应力重新配分现象。研究证实,Cu/Ag多层膜塑性形变过程中,作为硬质相的Cu层承受更大的应力,软质相的Ag层将更多的应力传递给Cu层。研究发现,随应力重新配分的发生,界面应力随外载应力的变化而发生规律性的演变,第一阶段为弹性形变区,膜层间几乎无相互作用力;第二阶段时硬质相Cu继续保持弹性形变,而软质相Ag发生屈服,从而导致界面应力迅速增大;第三阶段为塑性区,膜层均发生塑性形变,界面应力趋于稳定。同时发现,界面应力降低了金属多层膜的延性。利用常规XRD技术原位研究了Cu/Cr金属多层膜形变过程中Cu层的形变机制。根据原位实验获得的Cu层衍射峰半高宽的演化,首次发现金属多层膜应变加载-卸载时其膜层的衍射峰半高宽存在可逆宽化现象,进而利用衍射峰半高宽与位错密度的关系,证实了Cu层的位错密度随应变增大而增加,随应变卸载而减小,并且卸载后无位错网残留。根据不同尺度Cu层衍射峰半高宽与宏观应变的关系,进一步证明单层尺度不影响位错增殖速率,只影响层内位错容限,Cu层内位错容限随单层厚度的降低而迅速减小,Cu/Cr层间界面为多层膜的主要位错源和湮灭源。通过常规XRD技术原位测量了Cu层加载过程中的晶格应变,研究了Cu层力学行为的尺度与界面效应。研究发现,Cu/Cr多层膜中Cu层的延性和屈服强度具有明显的尺度和界面依赖性,随Cu单层厚度减小,Cu层的延性降低,强度增大。界面的约束作用使得Cu/Cr多层膜中Cu层先于单层同厚度Cu膜断裂,前者的强度要高于后者。Hall-Petch关系模型和位错层内约束滑移模型理论计算的强度结果与实验数据吻合。通过调节多层膜中膜层的单层厚度、界面结构,金属多层膜可获得高强度、高延性的力学性能。采用同步辐射高能X射线衍射透射法,研究了搭接率50%的双光斑冲击强化TC11钛合金沿深度方向面内残余应变的分布状态。根据高能X射线衍射获取的晶格应变,发现激光冲击强化钛合金的光斑搭接区域与未搭接区域均随深度的变化存在强的晶间应力与相间应力。两区域残余应变随深度的变化具有强的晶体取向依赖性,两相达到应力零点的深度不同,皆表现出明显的应变各向异性。残余应变在两区域的表面及近表面均为压应变,随深度增加,转变为拉应变,最后恢复到初始试样状态(无应力状态),应力零点的深度表现出强烈的取向依赖性。搭接区的残余压应变深度大于未搭接区,其表面区域的“残余应力洞”具有取向依赖性。测量所得到的残余应变?是本征残余应变?(晶粒相互作用引起的残余应变)和母材局域加载残余应变?(冲击波卸载后,周围晶粒反作用引起的残余应变)相互竞争的结果。
【关键词】：受限形变 微观应力 X射线衍射 金属多层膜 激光冲击强化
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG115
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-34
• 1.1 本论文的研究意义13-14
• 1.1.1 尺度及界面受限形变研究13-14
• 1.1.2 母材局域受限形变研究14
• 1.2 薄膜材料受限形变行为研究背景及现状14-25
• 1.2.1 金属薄膜材料的概念及研究背景14-17
• 1.2.2 薄膜材料制备方法17-18
• 1.2.3 金属薄膜材料力学行为18-25
• 1.3 激光冲击强化材料受限形变行为研究背景及现状25-32
• 1.3.1 激光冲击强化研究背景25-27
• 1.3.2 激光冲击强化基本原理27-28
• 1.3.3 激光冲击强化残余应力研究现状28-32
• 1.4 本论文的研究内容32-34
• 第2章 材料受限形变内应力分类及测量技术34-48
• 2.1 前言34-36
• 2.2 常规X射线衍射(XRD)应力测量技术36-39
• 2.2.1 同倾法36-37
• 2.2.2 侧倾法37-38
• 2.2.3 掠射法38-39
• 2.3 同步辐射源X射线衍射应力测量技术39-45
• 2.3.1 同步辐射简介39-44
• 2.3.2 同步辐射X射线衍射应力测量方法44-45
• 2.4 中子衍射应力测量技术45-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第3章 受限形变Cu/Ag多层膜的同步辐射X射线衍射力学行为研究48-67
• 3.1 前言48
• 3.2 材料选择与制备48-52
• 3.2.1 基体选择48-49
• 3.2.2 薄膜材料49-50
• 3.2.3 薄膜制备50-52
• 3.3 Cu/Ag多层膜的微观结构表征方法52-53
• 3.4 Cu/Ag多层膜微观力学行为的原位表征方法53-57
• 3.4.1 拉伸机拉伸速率参数的确定53-55
• 3.4.2 同步辐射X射线衍射原位拉伸实验55-57
• 3.5 实验结果57-61
• 3.5.1 退火工艺对残余应力的影响57
• 3.5.2 Cu/Ag多层膜的微观结构57-59
• 3.5.3 同步辐射X射线衍射原位测量结果59-61
• 3.6 讨论与分析61-66
• 3.7 本章小结66-67
• 第4章 受限形变Cu/Cr多层膜Cu层力学行为的尺度及界面效应67-92
• 4.1 前言67-68
• 4.2 材料选择与制备68-71
• 4.2.1 薄膜材料68-69
• 4.2.2 薄膜制备69-71
• 4.3 Cu/Cr多层膜的微观结构表征方法71
• 4.4 常规XRD原位拉伸实验71-72
• 4.5 实验结果与讨论72-90
• 4.5.1 Cu单层膜延性与溅射功率的关系72-73
• 4.5.2 Cu/Cr多层膜形变前的微观结构73-76
• 4.5.3 Cu/Cr多层膜形变机制及其尺度及界面效应76-82
• 4.5.4 Cu/Cr多层膜中Cu层延性的尺度及界面效应82-85
• 4.5.5 Cu/Cr多层膜中Cu层强度的尺度及界面效应85-90
• 4.6 本章小结90-92
• 第5章 激光冲击强化TC11钛合金受限形变内应力研究92-108
• 5.1 前言92-93
• 5.2 材料和激光冲击强化实验93-96
• 5.2.1 材料选择93-94
• 5.2.2 材料热处理94
• 5.2.3 激光冲击强化试样制备94-96
• 5.3 TC11钛合金的微观结构表征方法96
• 5.4 同步辐射X射线衍射内应力测量实验96-97
• 5.5 实验结果97-102
• 5.5.1 TC11钛合金的微观结构97-98
• 5.5.2 TC11钛合金双光斑冲击试样的无应变点d098-100
• 5.5.3 TC11钛合金双光斑冲击试样的残余应变沿深度的分布100-102
• 5.6 讨论与分析102-106
• 5.7 本章小结106-108
• 结论108-110
• 参考文献110-122
• 攻读学位期间代表性论文与研究成果清单122-124
• 致谢124-125
• 作者简介125

【共引文献】

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