超細(xì)晶純金屬材料塑性變形與損傷行為的溫度效應(yīng).pdf

1、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)制備的超細(xì)晶材料由于具備優(yōu)越的力學(xué)性能而受到研究者的普遍關(guān)注。但由于材料在嚴(yán)重塑性變形(SPD)制備過(guò)程中累積了大量的應(yīng)變而使其處于亞穩(wěn)態(tài)，在高溫服役過(guò)程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化以及性能下降。目前，關(guān)于此類超細(xì)晶材料的高溫性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)尚不系統(tǒng)。因此，本論文選用不同晶體結(jié)構(gòu)的純金屬（面心立方fcc Cu、密排六方hcp Ti和體心立方bcc Fe）作為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了ECAP制備的相應(yīng)超細(xì)晶純金屬材料的熱

2、穩(wěn)定性及高溫壓縮變形損傷行為，重點(diǎn)考察了載荷與溫度共同作用對(duì)此類材料微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及變形與損傷特征的影響。
　　ECAP工藝處理可使三種金屬的晶粒均細(xì)化至亞微米量級(jí)。ECAP處理后的fcc純金屬銅的DSC響應(yīng)曲線中出現(xiàn)明顯的再結(jié)晶放熱峰，而bcc超細(xì)晶鐵和hcp超細(xì)晶鈦的DSC響應(yīng)曲線無(wú)尖銳的放熱峰，表明SPD制備的不同晶體結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶材料可表現(xiàn)出明顯不同的熱穩(wěn)定性特征。
　　經(jīng)過(guò)ECAP處理的不同晶體結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶純金

3、屬材料相對(duì)其粗晶態(tài)均表現(xiàn)出更高的壓縮屈服應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力。ECAP處理后的所有材料均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化行為的缺失，只在變形初始階段表現(xiàn)為快速硬化，隨后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段并伴有不同程度的軟化行為。超細(xì)晶純金屬的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力和壓縮屈服應(yīng)力一般隨著溫度的升高而降低。而bcc超細(xì)晶鐵在溫度高于其再結(jié)晶溫度時(shí)，其強(qiáng)度變化無(wú)明顯規(guī)律性。hcp超細(xì)晶鈦和fcc超細(xì)晶銅均為壓縮屈服應(yīng)力正應(yīng)變速率敏感性材料，而bcc超細(xì)晶鐵在高溫下表現(xiàn)為負(fù)的應(yīng)變速率敏感性。

4、另外，超細(xì)晶鈦的壓縮流變應(yīng)力與應(yīng)變速率、實(shí)驗(yàn)溫度的關(guān)系可用雙曲正弦修正的Arrhenius方程擬合，ECAP處理使純鈦的變形激活能降低。
　　溫度對(duì)不同晶體結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶純金屬的表面變形特征產(chǎn)生不同的影響。對(duì)于fcc超細(xì)晶銅，在低于再結(jié)晶溫度下壓縮后表面主要表現(xiàn)為損傷嚴(yán)重的大尺度剪切帶變形;當(dāng)溫度高于再結(jié)晶溫度，剪切帶基本消失，僅有少量微孔洞或微裂紋沿粗化晶粒的晶界萌生。對(duì)于hcp超細(xì)晶純鈦，在低于再結(jié)晶溫度的范圍內(nèi)，以剪切帶變形為

5、主，隨著溫度升高剪切帶變得更加細(xì)密;當(dāng)溫度高于再結(jié)晶溫度，表面呈現(xiàn)出粗化晶粒變形而形成的擠出擠入帶，表現(xiàn)出較好的協(xié)調(diào)變形能力。而對(duì)于bcc超細(xì)晶鐵，在低于再結(jié)晶溫度的范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的晶界協(xié)調(diào)變形能力，流變剪切帶內(nèi)出現(xiàn)大量的次級(jí)剪切線;當(dāng)溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)，晶界協(xié)調(diào)變形能力降低，沿剪切帶產(chǎn)生明顯的裂紋。
　　溫度對(duì)不同超細(xì)晶材料壓縮變形后微觀結(jié)構(gòu)變化的影響不同。對(duì)于fcc超細(xì)晶銅，在低于再結(jié)晶溫度下，壓縮后大部分保持超細(xì)晶晶粒和

6、高密度位錯(cuò)，少量晶粒發(fā)生了輕微的粗化;在接近再結(jié)晶溫度時(shí)，晶粒發(fā)生了明顯的粗化，位錯(cuò)密度顯著降低;在高于再結(jié)晶溫度時(shí)，晶粒發(fā)生了嚴(yán)重粗化，位錯(cuò)密度極大降低。對(duì)于hcp超細(xì)晶純鈦，在低于再結(jié)晶溫度時(shí)，相對(duì)于初始態(tài)位錯(cuò)密度有所增加，晶界和晶內(nèi)都存在大量位錯(cuò)，晶界模糊;當(dāng)溫度升高到接近再結(jié)晶溫度時(shí)，位錯(cuò)密度明顯降低，晶界變得較為清晰;當(dāng)溫度高于再結(jié)晶溫度，晶粒發(fā)生嚴(yán)重粗化，粗化的晶內(nèi)存在網(wǎng)格位錯(cuò)或一些位錯(cuò)纏結(jié)。而bcc超細(xì)晶鐵表現(xiàn)出獨(dú)特的微觀

7、結(jié)構(gòu)變化，在溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)，在ECAP剪切流變帶內(nèi)存在超細(xì)尺度的亞結(jié)構(gòu);在接近再結(jié)晶溫度時(shí)，位錯(cuò)密度明顯降低，流變剪切帶消失，晶粒大部分為發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而形成的具有清晰晶界的超細(xì)晶晶粒;在高于再結(jié)晶溫度情況下，發(fā)生了明顯的晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)，晶內(nèi)和晶界處依然保留著較高密度的位錯(cuò)。
　　超細(xì)晶銅在高溫壓縮下的晶粒粗化行為與應(yīng)變速率有關(guān)，應(yīng)變速率越大，粗化的局部化越明顯;而應(yīng)變速率越小，更多的晶粒發(fā)生整體粗化。高溫循環(huán)加載促使晶粒粗化