金屬納米晶化及機(jī)理研究.pdf

1、納米晶體材料以其結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能優(yōu)異而倍受關(guān)注。但是由于制備技術(shù)和團(tuán)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(shù)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(diǎn)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(jī)械研磨技術(shù)，在金屬材料表面已成功制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)了表面納米化。然而對于金屬材料表層納米結(jié)構(gòu)的微觀組織演

2、變、性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)的研究，尤其是對嚴(yán)重塑性變形導(dǎo)致的納米晶粒形成機(jī)制，仍缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識和深入的理解。因此，深入系統(tǒng)地研究嚴(yán)重塑性變形導(dǎo)致的納米晶粒形成機(jī)制和技術(shù)對納米材料合成和應(yīng)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)、高分辨電子顯微鏡(HRTEM)、金相顯微鏡等測試設(shè)備系統(tǒng)研究了表面機(jī)械研磨處理后Al-Zn-Mg合金表面層不同深度的微觀結(jié)構(gòu)特征及納米結(jié)構(gòu)表層的熱穩(wěn)定性；測試了

3、表面層的硬度分布，比較了表面機(jī)械研磨Al-Zn-Mg樣品處理前后壓縮及彎曲條件下的相關(guān)性能。根據(jù)表面層應(yīng)變引入的微觀結(jié)構(gòu)特征，提出了Al-Zn-Mg合金表面機(jī)械研磨導(dǎo)致晶粒細(xì)化的機(jī)制。 采用掃描電子顯微鏡(SEM)、TEM、HRTEM等超微觀測試技術(shù)對爆炸接合00Cr18Ni5Mo3Si2/16Mn鋼板接合界面的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，根據(jù)界面形成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了00Cr18Ni5Mo3Si2/16Mn鋼板接合界面處晶粒細(xì)

4、化機(jī)制。主要研究結(jié)果如下： 1.Al-Zn-Mg合金經(jīng)表面機(jī)械研磨表層形成了等軸、隨機(jī)取向的納米晶粒，最小晶粒平均尺寸約為20nm。表面層微觀結(jié)構(gòu)隨距表面深度增加呈梯度變化，依次可分為：納米晶層(0～20μm)、亞微米晶層(20～50μm)、過渡層(50～100μm)及基體。隨距表面深度增加，微觀應(yīng)變減小，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(yīng)變引起的位錯滑移

5、、積聚而形成。位錯纏結(jié)是高密度位錯混亂交織在一起的位錯排列。隨應(yīng)變的增加，這兩種位錯組態(tài)逐漸演變成位錯胞和亞晶。 3.Al-Zn-Mg合金表面機(jī)械研磨晶粒細(xì)化主要包括以下三個物理過程： (1)位錯墻和位錯纏繞結(jié)構(gòu)在原始晶?；蚣?xì)化的晶粒、亞晶粒內(nèi)形成； (2)隨位錯墻或位錯纏繞結(jié)構(gòu)演變成小角度取向差的亞晶界，亞晶粒形成； (3)亞晶界隨應(yīng)變量增加，逐步演變成大角晶界，形成納米晶。 在表面機(jī)械研磨處理

6、時，晶粒細(xì)化遵循逐漸細(xì)分原則，隨變形應(yīng)變量增加，晶粒細(xì)分過程可以不斷進(jìn)行：即在細(xì)化的晶粒、亞晶粒內(nèi)，通過產(chǎn)生新的位錯，形成新的位錯墻和亞晶界，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的晶粒細(xì)化，使獲得的細(xì)化晶粒尺寸不斷減小。 4.高應(yīng)變量、高應(yīng)變速率的塑性變形對Al-Zn-Mg合金樣品表層納米晶粒的形成起到了重要作用。在高應(yīng)變速率變形條件下，晶粒尺寸可以細(xì)化到納米量級。 5.表面機(jī)械研磨處理Al-Zn-Mg合金表面層晶粒細(xì)化導(dǎo)致硬度明顯增大，隨深

7、度增加(即晶粒尺寸增大)，硬度值減??；表面層納米晶粒的形成，可提高材料整體的屈服強(qiáng)度，其原因是表面納米晶層阻礙了位錯的滑移。 6.00Cr18Ni5Mo3Si2/16Mn爆炸接合界面形貌近似正弦波形。接合界面附近形成微細(xì)晶區(qū)，這是由于在極大的沖擊力作用下，接合界面附近快速強(qiáng)烈塑性變形所致。界面處出現(xiàn)的白亮帶可能是嚴(yán)重塑性變形和絕熱熔化條件下急冷形成的納米晶和非晶態(tài)組織。 7.爆炸接合技術(shù)可望用來制備納米晶和非晶態(tài)金屬薄膜