论文部分内容阅读
本论文以双相Cu-Ag合金作为研究对象,采用等通道转角挤压(equal-channelangular pressing:ECAP)和高压扭转(high-pressure torsion:HPT)两种严重塑性变形(severe plastic deformation:SPD)技术,分别研究了Cu-Ag合金在ECAP和HPT过程中的剪切变形机制、晶粒细化机制,ECAP路径对其组织演变与力学性能的影响及Cu-Ag合金的强化机制等问题。本文试图通过对上述实验结果的分析与讨论,为制备高强度双相复合材料提供设计思路。
通过观察具有标识性的Cu-16wt.%Ag合金共晶组织的剪切变形特征,发现在ECAP过程中,剪切变形在ECAP模具的扇形区发生。通过统计扇形区和变形完成区的剪切带的角度,发现这些剪切带的角度主要分布在两个区间。根据双剪切变形条件进行计算,发现计算出的剪切、角度结果与实验结果基本一致,因此,进一步证实了ECAP变形过程中存在着双剪切变形,即除了沿对角面发生剪切之外,沿垂直于对角面方向也发生了剪切变形。
ECAP路径(A、BA、C、BC)对双相Cu-Ag合金的微观组织和力学性能具有明显的影响。电子背散射衍射(electron backscattering diffraction:EBSD)技术结果表明采用A路径可以最有效地细化组织和强化材料。对于A路径来说,经过四道次后的样品晶粒尺寸最细小,大角晶界含量最高。组织的强烈细化可以归结为位错主导的晶粒分割过程,原始晶界面积的增加和剪切带的大量发展。对于Bc路径来说,即使经过四道次变形之后,获得的组织依然很不均匀,同时,材料的强度也相对较低。因此,对于双相Cu-Ag合金复合材料来说,采用A路径可以获得相对细小均匀的组织结构和较高的强度。
微观组织观察结果表明:双相Cu-28wt.%Ag合金在HPT变形过程中的组织演变过程相对缓慢,并且组织会不断细化至纳米级。在变形量较小时,共晶组织内部两相由于剪切变形呈现出纤维状,而在Cu基体内部出现带状亚结构。随应变量增加,亚结构的宽度不断减小,且共晶组织间距也不断减小,同时共晶组织内部微观结构会比较快地达到饱和状态。当变形量极大时,共晶组织间距会小到一个极限,即Cu基体内部的亚结构消失。此时,进一步塑性变形会通过发展大量剪切带来实现。该合金的饱和硬度对应的应变量为~330,其持续硬化能力是由于微观组织不断细化到纳米级尺度造成的。
为了揭示Cu-Ag合金体系的强化机制和强化能力,从而为设计高强度Cu-Ag合金提供依据,通过对比共晶Cu-71.9wt.%Ag合金与亚共晶Cu-28wt.%Ag合金在HPT变形后的组织和力学性能,对不同成分Cu-Ag合金的强化能力进行了总结,认为Cu基体内部的Ag沉淀物在强化Cu-Ag合金的过程中发挥了重要的作用。当Cu-Ag合金的Ag含量在10-20wt.%时,同时,在其Cu基体上分布着细小连续的Ag沉淀物时,可以获得最高的强度。
HPT变形可以剧烈地细化Cu-Ag合金,同时也可以改变其拉伸断裂方式。随着HPT转数的增加,Cu-Ag合金的断裂方式发生了由颈缩到剪切断裂的转变。当转数比较低时,剪切与颈缩同时出现。随应变量增加,材料最终发生完全剪切断裂,并且剪切断裂角大于45°。同时,在样品的拉伸断口靠近表面的地方可以观察到剪切台阶,并且剪切台阶的大小随HPT转数的增加而不断减小,表明材料的抗剪切变形能力在逐步变弱。这可以归结为在HPT变形过程中,材料内部的缺陷密度大量增加的原因。
采用HPT技术制备出了直径为30 mm的大块、高强度且组织比较均匀的Cu-Ag-Zr合金。拉伸、压缩实验结果表明:该合金存在一定程度的拉压不对称性。硬度结果表明:随着应变量的增加该合金硬度会先快速增加,之后达到饱和,并且在应变量极大时稍微下降,这是因为在变形量比较小时组织发生细化,而在变形量极大时,已经细化了的组织又发生了晶粒长大的原因。