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纳米结构材料由于其优异的性能引起了广泛的研究,塑性变形方法是制备这类材料最为有效的方法之一。近几年,本研究组发展了一种动态塑性变形(DPD)技术,通过这种方法制备出具有高密度纳米孪晶的块体纳米结构纯铜样品,屈服强度高达～610 MPa。同时该样品依然具有纳米结构材料塑性差的特征,均匀延伸率只有～1％。本论文的主要工作就是研究如何进一步提高纳米结构纯铜样品的强度以及如何在保持较高强度的前提下进一步改善其塑性。
本研究利用低温动态塑性变形和室温准静态压缩变形方法对纯铜和低层错铜铝合金进行变形处理,系统研究了层错能和变形条件对微观结构和力学性能的影响。并系统研究了室温冷轧变形对DPD纳米纯铜样品微观结构和力学性能的影响,以及后续退火对冷轧变形后的纳米纯铜样品微观结构和力学性能的影响,以其获得高强度和高塑性的匹配。主要的研究结果如下:
1.层错能和变形条件对纯铜和铜铝合金微观结构和强度的影响:
(1)对于RT-QSC样品,当层错能大于50 mJ m-2时,变形机制和晶粒细化机制都是位错滑移主导的,相应的微观结构为尺寸大于150 nm的超细晶结构。而当层错能小于50 mJ m-2时,随着层错能的降低,形变孪生逐渐成为主导的变形机制,形变孪晶的体积分数逐渐增加,孪晶/基体的层片厚度逐渐减小。同时,晶粒细化机制逐渐转变为孪生主导的,晶粒尺寸明显减小,这主要是孪晶/基体的层片厚度逐渐减小的结果。
(2)不论层错能的高低,LNT-DPD样品中的变形机制和晶粒细化机制都是孪生主导的,孪晶/基体的层片厚度随着层错能的降低逐渐减小。晶粒尺寸随着层错能的降低而逐渐减小,而且要明显小于RT-QSC样品中的晶粒尺寸,这主要是由于LNT-DPD样品更小的孪晶/基体层片厚度。但是,当层错能小于50 mJ m-2时,由于孪生应力的明显降低,变形条件对微观结构的影响随着层错能的降低而逐渐减弱。
(3)层错能对强度的影响是与层错能对晶粒细化机制的影响密切相关的。当晶粒细化机制为位错滑移主导的,层错能对强度的影响有限。当晶粒细化机制为孪晶细化主导的,层错能对强度有着更为明显的影响。
(4)相比于RT-QSC样品,LNT-DPD样品具有更高的屈服强度。但是两者强度之间的差别随着层错能的降低先增大而后减小,最大值出现在层错能为50 mJ m-2的样品中,即lnZ对强度的影响随着层错能的降低先增大后减小。这种变化趋势是由lnZ对微观结构的影响决定的。
2.通过室温冷轧对DPD纳米结构纯铜样品进一步变形,冷轧过程中微观结构和力学性能的变化如下:
(1)在冷轧变形过程中,LNT-DPD Cu样品中的纳米孪晶由于自身的碎化和剪切带的开动,体积分数有所下降,而孪晶/基体的层片厚度基本保持不变。同时冷轧过程中,纳米晶粒的尺寸有所增加。当变形量大于300％时,晶粒尺寸趋于饱和,饱和值约为110 nm,远远小于CG+CR Cu样品中的饱和晶粒尺寸(～260 nm)。
(2)通过DSC和XRD分析得到的实验结果表明,在冷轧变形过程中LNT-DPDCu样品的位错密度随着冷轧变形量的增大而逐渐减小。同时,在冷轧变形过程中LNT-DPD Cu样品的晶界能从0.34 J m-2下降至0.22 J m-2,远远小于传统的大角晶界能和CG+CR(1100％)Cu样品的晶界能(0.52 J m-2)。较低的晶界能说明样品中大部分的晶粒都是由低能量晶界的孪晶演化而来。
(3)LNT-DPD Cu样品在冷轧过程中屈服强度逐渐降低,同时塑性逐渐提高。随着轧制变形量的增加,屈服强度逐渐趋于饱和,饱和强度值约为485 MPa。同时均匀延伸率逐渐增加至～4.5％。LNT-DPD Cu样品冷轧后的饱和强度值比CG+CR Cu样品的要高105 MPa,这主要是由于纳米晶粒和纳米孪晶对强度的影响。冷轧过程中塑性的改善主要是由于样品内部较低的位错密度和晶界能。
3.对LNT-DPD+CR Cu样品进行了不同温度的退火处理,研究退火对其微观结构和力学性能的影响,并与LNT-DPD Cu样品退火后的微观结构和力学性能进行了比较,主要研究结果如下:
(1)对于LNT-DPD+CR Cu样品,当退火温度低于160℃时,再结晶首先发生在纳米晶粒区域,而纳米孪晶得以保留。当退火温度高于160℃时,再结晶开始在孪晶区域发生,使纳米孪晶的比例迅速下降。
(2)退火在变形样品内部引入微米晶粒,从而影响材料的强度和塑性的匹配。在均匀延伸率相同的情况下,LNT-DPD+CR Cu样品的强度要高于LNT-DPD Cu样品,这主要是由于LNT-DPD+CR Cu样品达到相同延伸率时所需的微米晶粒比例更低从而使其具有更高的强度。
(3)变形结构和微米晶粒混合结构的均匀延伸率不仅由微米晶粒的比例决定,变形结构的加工硬化能力也是重要的影响因素。具有一定加工硬化能力的变形结构基体,在变形过程中可以起到协调和传递应变的作用,使微米晶粒的加工硬化能力得到发挥,这样就可以有效的降低改善塑性所需的微米晶粒比例,从而起到优化强度和塑性匹配的作用。