發(fā)布時(shí)間：2020-06-23 16:32

【摘要】：強(qiáng)度和塑性是結(jié)構(gòu)材料最基本的力學(xué)性能。等徑角變形等劇烈塑性變形方法通過細(xì)化材料內(nèi)部的晶粒組織,大幅提高了其強(qiáng)度。另一方面,改變材料變形的外在條件對(duì)材料的力學(xué)行為也會(huì)產(chǎn)生影響顯著,例如高應(yīng)變速率變形下,材料的流變應(yīng)力會(huì)明顯提高。多晶材料塑性變形時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生粗糙起伏的“桔皮效應(yīng)”。迄今的研究已經(jīng)清楚了在常規(guī)應(yīng)變速率條件下晶粒尺寸細(xì)至18μm的金屬材料的“桔皮效應(yīng)”產(chǎn)生規(guī)律。然而,當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化至超細(xì)晶/納米晶尺度時(shí)、以及在高應(yīng)變速率條件下,“桔皮效應(yīng)”是否依然存在?是否還遵循粗晶時(shí)及常規(guī)應(yīng)變速率時(shí)的規(guī)律?這些問題的答案對(duì)于在超細(xì)晶/納米晶的范疇發(fā)展“桔皮效應(yīng)”相關(guān)的塑性理論、以及這類新材料的塑性成形和應(yīng)用具有重要的作用。另一方面,塑性變形中流變應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)(Strain rate Sensitivity,簡(jiǎn)稱SRS)是表征材料塑性行為的重要參數(shù)。業(yè)已表明fcc金屬的SRS會(huì)隨著晶粒尺寸的減小而顯著升高。這一現(xiàn)象可以用熱激活主導(dǎo)的位錯(cuò)滑移模型很好地解釋。然而,當(dāng)應(yīng)變速率升高到～1103s-1時(shí),塑性變形的主導(dǎo)機(jī)制逐漸由熱激活機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)阻尼機(jī)制。在這種新的位錯(cuò)阻尼機(jī)制主導(dǎo)下,SRS與晶粒尺寸的關(guān)系是延續(xù)低應(yīng)變速率下的關(guān)系呢,還是有新的表現(xiàn)?非常值得期待。特別是,SRS對(duì)高應(yīng)變速率下的塑性變形作用更為重要。圍繞上述問題,本文以fcc無氧純銅為例,通過對(duì)超細(xì)晶純銅進(jìn)行退火熱處理制備出不同晶粒尺寸的試樣,通過準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),研究不同應(yīng)變速率條件下“桔皮效應(yīng)”和SRS的晶粒尺寸效應(yīng)。研究得到如下主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)論:1.與低應(yīng)變速率下晶粒細(xì)化導(dǎo)致SRS增大的規(guī)律截然相反,本研究發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)變速率下,純銅SRS隨晶粒尺寸增大而顯著增高。SRS具有明顯的應(yīng)變速率效應(yīng),尤其在高應(yīng)變速率下,SRS會(huì)顯著增高。這也是導(dǎo)致高、低應(yīng)變速率下,SRS隨晶粒尺寸變化規(guī)律呈現(xiàn)相反趨勢(shì)的直接原因。2.SRS與晶粒尺寸關(guān)系隨著應(yīng)變速率增高而發(fā)生反轉(zhuǎn)的原因是:低應(yīng)變速率下的熱激活主導(dǎo)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞?yīng)變速率下的位錯(cuò)阻尼主導(dǎo)機(jī)制。基于局部取向差分析的顯微組織觀察間接證實(shí)了這一塑性變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變,而且隨著晶粒尺寸增大位錯(cuò)阻尼機(jī)制的作用逐漸增強(qiáng)。根據(jù)本文建立的本構(gòu)模型,SRS由熱激活分量和位錯(cuò)阻尼分量?jī)刹糠纸M成。在熱激活機(jī)制主導(dǎo)下,SRS熱激活分量與應(yīng)變速率無關(guān)且隨著晶粒尺寸的降低而增高,但其值總體較小;而在位錯(cuò)阻尼機(jī)制主導(dǎo)下,SRS位錯(cuò)阻尼分量隨應(yīng)變速率快速增大,遠(yuǎn)超過SRS的熱激活分量,并且該分量隨晶粒尺寸增加而顯著升高。二者共同作用,造成了SRS的晶粒尺寸效應(yīng)隨著應(yīng)變速率的增高發(fā)生反轉(zhuǎn)。3.在細(xì)至～0.5μm的晶粒尺寸范圍內(nèi),變形純銅表面“桔皮”結(jié)構(gòu)的自仿射分形維數(shù)相同,自仿射相關(guān)長(zhǎng)度與晶粒尺寸成正比。“桔皮效應(yīng)”的本質(zhì)是,不同晶粒之間不同的塑性變形特征,導(dǎo)致晶粒間出現(xiàn)空間位置上的交錯(cuò)起伏。細(xì)化晶粒不僅降低表面粗糙度Ra,還會(huì)降低表面粗糙度增長(zhǎng)速率�！敖燮ば�(yīng)”表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變速率相關(guān)性,高應(yīng)變速率下生產(chǎn)的表面粗糙度明顯大于低應(yīng)變速率下的表面粗糙度。反映出晶粒之間不同的塑性變形特征會(huì)隨應(yīng)變速率增大而加劇。4.在高應(yīng)變速率變形下,純銅的流變應(yīng)力與晶粒尺寸依然符合Hall-Petch關(guān)系。其斜率K與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)成正比。同時(shí)高應(yīng)變速率下的拉伸變形均勻延伸率也隨晶粒尺寸的增大而逐漸增高。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.11
【圖文】：

延伸率隨晶粒尺寸降低而降低的現(xiàn)象可能是納米晶材料的固有內(nèi)稟屬性，反映了其本逡逑征低塑性的行為。Ｋｏｃｈ＿等人總結(jié)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化至２５ｎｍ以逡逑下時(shí)，材料的拉伸斷裂延伸率小于２％，幾乎沒有拉伸塑性（如圖１．２所示）。并且總逡逑結(jié)了導(dǎo)致納米晶材料塑性極差的三種主要原因：加工成形過程引入的缺陷，拉伸逡逑變形失穩(wěn)，以及裂紋形核與剪切失穩(wěn)。逡逑２０．０邋邐邋邐邐邐逡逑Ｏ邋Ｃｕ逡逑□邋Ｃｕ逡逑Ｏ邋Ｃｕ邐＾逡逑厶Ｃｕ逡逑＿邋１５．０邋－邋Ｏ邐Ｃｕ逡逑￡邐Ｈ邐Ｃｕ／ＺｒＣ／Ｏ逡逑？邐？邐Ａｌ／Ａｌ６．４Ｚｒ逡逑Ｅ邐■邐ＡＩ－１０Ｔｉ邐？逡逑￡邐？邋Ｐｄ邐Ａ逡逑0邋ｉ0．0邋－邋Ａ邋Ａｇ邐Ｊ邐Ａ逡逑８逡逑Ｉ逡逑Ｓ邋，0：邐Ｕ邋在逡逑明邐■逡逑ａ，邋．邋0邐■邋Ｂ逡逑，！？亡□邋？邋ｓ邋長(zhǎng)ｅ逡逑ｑ邋ｑ邋邐ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｔ邋ｉ邋■邐＾邋ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋１邐邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑１邋１０邋１００邐１，０００逡逑Ｇｒａｉｎ邋Ｓｉｚｅ邋（ｎｍ）逡逑圖１．２拉伸斷裂延伸率與晶粒尺寸的關(guān)系Ｉ１８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｅｎｓｉｌｅ邋ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｖｅｒｓｕｓ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅ１１８１．逡逑然而，能夠準(zhǔn)確描述粗晶尺度Ｋ強(qiáng)度與品粒尺寸關(guān)系的經(jīng)典的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ關(guān)系在逡逑納米晶范圍內(nèi)卻不再適用。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明

延伸率隨晶粒尺寸降低而降低的現(xiàn)象可能是納米晶材料的固有內(nèi)稟屬性，反映了其本逡逑征低塑性的行為。Ｋｏｃｈ＿等人總結(jié)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化至２５ｎｍ以逡逑下時(shí)，材料的拉伸斷裂延伸率小于２％，幾乎沒有拉伸塑性（如圖１．２所示）。并且總逡逑結(jié)了導(dǎo)致納米晶材料塑性極差的三種主要原因：加工成形過程引入的缺陷，拉伸逡逑變形失穩(wěn)，以及裂紋形核與剪切失穩(wěn)。逡逑２０．０邋邐邋邐邐邐逡逑Ｏ邋Ｃｕ逡逑□邋Ｃｕ逡逑Ｏ邋Ｃｕ邐＾逡逑厶Ｃｕ逡逑＿邋１５．０邋－邋Ｏ邐Ｃｕ逡逑￡邐Ｈ邐Ｃｕ／ＺｒＣ／Ｏ逡逑？邐？邐Ａｌ／Ａｌ６．４Ｚｒ逡逑Ｅ邐■邐ＡＩ－１０Ｔｉ邐？逡逑￡邐？邋Ｐｄ邐Ａ逡逑0邋ｉ0．0邋－邋Ａ邋Ａｇ邐Ｊ邐Ａ逡逑８逡逑Ｉ逡逑Ｓ邋，0：邐Ｕ邋在逡逑明邐■逡逑ａ，邋．邋0邐■邋Ｂ逡逑，！？亡□邋？邋ｓ邋長(zhǎng)ｅ逡逑ｑ邋ｑ邋邐ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｔ邋ｉ邋■邐＾邋ｉ邐ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋１邐邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑１邋１０邋１００邐１，０００逡逑Ｇｒａｉｎ邋Ｓｉｚｅ邋（ｎｍ）逡逑圖１．２拉伸斷裂延伸率與晶粒尺寸的關(guān)系Ｉ１８】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｅｎｓｉｌｅ邋ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｖｅｒｓｕｓ邋ｇｒａｉｎ邋ｓｉｚｅ１１８１．逡逑然而，能夠準(zhǔn)確描述粗晶尺度Ｋ強(qiáng)度與品粒尺寸關(guān)系的經(jīng)典的Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ關(guān)系在逡逑納米晶范圍內(nèi)卻不再適用。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明

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