純鋁的晶粒細化機制及動態(tài)力學性能的研究.pdf

1、納米晶體材料以其結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)異而倍受關注。但是由于制備技術和團聚問題等未能解決，目前尚難以獲得高純、致密、界面清潔的理想三維塊體納米晶體材料。隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術的發(fā)展，將表面改性與納米材料相結(jié)合來制備納米晶塊體材料得到了人們的重視。其特點是通過提高材料表面性能來提高構(gòu)件服役性能。目前，通過表面機械研磨技術(SMAT)，在金屬材料表面己成功的制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實現(xiàn)了表面納米化。然而對于金屬材料表層納米結(jié)

2、構(gòu)的微觀組織演變、性能與結(jié)構(gòu)關系尚缺乏系統(tǒng)的研究。因此，深入系統(tǒng)地研究嚴重塑性變形導致的納米晶粒形成機制對納米材料合成和應用具有十分重要的意義。 本論文采用X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)等測試設備系統(tǒng)地研究了表面機械研磨處理后純鋁表面層不同深度的微觀結(jié)構(gòu)特征；測試了表面層的硬度分布；根據(jù)表面層應變引入的微觀結(jié)構(gòu)特征，提出了純鋁表面機械研磨導致晶粒細化的機制。 并以分離式霍普金森壓桿(Hopkinson壓

3、桿)裝置為研究手段，研究了純鋁在常溫高應變速率(1000-2300s-1)下的動態(tài)壓縮行為。通過對應力～應變曲線的對比研究，分析了應變速率對流變應力和屈服強度的影響； 并通過透射電子顯微鏡分析了純鋁顯微組織對動態(tài)壓縮性能的影響。得到以下主要結(jié)論: 1.純鋁經(jīng)表面機械研磨處理后，表層形成了等軸、隨機取向的納米晶粒，晶粒平均尺寸約為6nm。表面層微觀結(jié)構(gòu)隨距離表面深度的增加，呈梯度變化，變形表層可以分為兩個部分(1)納米晶區(qū)

4、(約0～20μm)和(2)發(fā)生明顯塑性變形的亞微晶區(qū)(約20～65μm)。隨距離表面深度增加，微觀應變和應變速率逐漸減小，晶粒/亞晶/位錯胞結(jié)構(gòu)尺寸增大。 2.塑性變形區(qū)有兩種主要位錯組態(tài):位錯墻和位錯纏結(jié)。位錯墻是通過應變引起的位錯滑移、積聚和重排而形成。位錯纏結(jié)結(jié)構(gòu)是高密度位錯混亂交織在一起的位錯排列。隨應變的增加，這兩種位錯組態(tài)逐漸演變成位錯胞、亞晶和位錯墻-顯微帶結(jié)構(gòu)(DDWs-MBs)，層狀胞塊結(jié)構(gòu)(lamellar

5、cell block)。并隨著應變和應變速率的進一步增加，晶粒細化遵循逐漸細分原則，逐漸在表面形成隨機取向的納米晶。 3.研究結(jié)果表明高應變量、高應變速率的塑性變形對純鋁樣品表層納米晶粒的形成起到了重要作用。在高應變速率變形條件下，細化晶粒尺寸可以減小到納米量級。 4.SMAT后純鋁樣品橫截面上的硬度測試結(jié)果表明，樣品表面納米層的顯微硬度約為心部基體硬度的兩倍以上，隨著距離樣品表面深度的增加，顯微硬度值逐漸減小。其表面硬

6、度的增大可歸因于晶粒細化效應和加工硬化效應共同作用的結(jié)果。 5.SMAT后純鋁樣品的極化腐蝕實驗表明，通過SMAT方法所獲得的納米晶結(jié)構(gòu)表層可以使材料的耐腐蝕性有所提高，這是由于納米結(jié)構(gòu)表層較容易產(chǎn)生鈍化，進而提高了材料的耐腐蝕性。 6.從應力～應變曲線上的特征看，隨著應變速率的提高，純鋁的強度和初始加工硬化率明顯增加，并表現(xiàn)為正應變速率敏感性。 7.從應力～應變曲線上的特征看，有明顯的動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶特點；