冷軋納米金屬鎳的微結(jié)構(gòu)演變研究.pdf

1、納米金屬材料的塑性變形機制與微結(jié)構(gòu)演變是國際納米結(jié)構(gòu)材料研究領(lǐng)域的前沿方向之一。普通粗晶材料隨著晶粒的細(xì)化，其強度/硬度得到增強，此所謂Hall-Petch關(guān)系。然而，當(dāng)晶粒尺寸減小到了納米級別，出現(xiàn)了不符合Hall-Petch關(guān)系的實驗現(xiàn)象，說明納米金屬材料的結(jié)構(gòu)與變形機制與普通粗晶材料有所不同。粗晶材料主要通過位錯運動來達到塑性變形，位錯源于晶界或晶內(nèi)原有的位錯，變形中產(chǎn)生位錯增殖、塞積，位錯的相互作用形成位錯網(wǎng)絡(luò)。然而，納米金屬材

2、料由于晶粒尺寸很小，晶內(nèi)位錯不穩(wěn)定，因此，晶內(nèi)被認(rèn)為沒有或很少位錯。納米金屬材料的塑性變形涉及到晶界發(fā)射位錯，切過晶粒，被對面晶界吸收；晶界發(fā)射不全位錯，在晶內(nèi)留下層錯，或形成孿晶；晶粒的轉(zhuǎn)動；晶界的滑移；相變；空位以及空位團的運動等方面，并且納米金屬材料的塑性變形往往并不是依靠單一的變形機制來實現(xiàn)的。因此在什么樣的情況下?哪種機制占主導(dǎo)?還需要更深入的研究。
　　 本文對平均晶粒尺寸為20nm的電沉積納米金屬鎳在室溫下進行了冷

3、軋，通過X射線衍射(XRD)、顯微硬度測試、退火實驗、透射電鏡(TEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)等研究方法分析了其塑性變形機制與微結(jié)構(gòu)的演變，發(fā)現(xiàn)納米金屬鎳的軋制變形可分為三個階段：(1)當(dāng)應(yīng)變量ε＜20％時，變形以晶粒轉(zhuǎn)動機制為主導(dǎo)，并且變形引發(fā)位錯密度下降，產(chǎn)生加工硬化；(2)當(dāng)應(yīng)變量20％＜ε＜30％間，晶粒轉(zhuǎn)動機制減弱，部分晶界發(fā)射位錯，但位錯密度仍然維持較低水平，并且應(yīng)力集中引發(fā)局部區(qū)域出現(xiàn)細(xì)小的孿晶阻止了位錯的滑移，依

4、然出現(xiàn)加工硬化；(3)當(dāng)應(yīng)變量ε＞30％之后，晶粒轉(zhuǎn)動基本停止，并且HRTEM觀察發(fā)現(xiàn)了大量的孿晶，說明晶界發(fā)射不全位錯形成孿晶已成為主要變形機制之一。同時發(fā)現(xiàn)了三種類型的孿晶界：(Ⅰ)如果變形應(yīng)力足夠大并且持續(xù)，則將產(chǎn)生平直的孿晶界；(Ⅱ)如果晶界發(fā)射不全位錯時，由于應(yīng)力不足(比如外力撤銷，應(yīng)力方向改變)的原因，不全位錯停留在晶內(nèi)鄰近原子層的不同位置，便出現(xiàn)了臺階型的孿晶界；(Ⅲ)孿晶長大后，晶界位錯與孿晶界的反應(yīng)以及孿晶界發(fā)射位錯生

5、成的壓桿位錯(Lomer-Cottrell lock)，使平直的孿晶界變得混亂，共格性遭到破壞，產(chǎn)生混亂型孿晶界。應(yīng)力集中導(dǎo)致了局部區(qū)域的晶粒轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中部分晶界消失，造成晶粒尺寸的增加，并利用XRD譜線計算了不同應(yīng)變量下的晶粒尺寸。TEM觀察發(fā)現(xiàn)，后期部分晶粒尺寸達到60-70nm，進一步的研究表明，晶粒尺寸的增大是造成ε＞30％之后出現(xiàn)加工軟化的主要原因。當(dāng)納米金屬鎳的軋制應(yīng)變量超過30％時，發(fā)現(xiàn)了母相γ相(fcc)中生成了α

6、相(bcc)，其晶體位向關(guān)系為(11-1)γ//(10-1)α，符合Kurdjumov-Sachs(K-S)關(guān)系，因此這是一種形變誘發(fā)馬氏體相變的現(xiàn)象。經(jīng)過計算得到體心立方結(jié)構(gòu)鎳的平均晶格常數(shù)為a=0.2921 nm。在退火實驗中，發(fā)現(xiàn)90分鐘后，α相消失，只剩下γ相，即發(fā)生了體心立方向面心立方轉(zhuǎn)變的相變回復(fù)。退火使得晶界松弛，發(fā)射位錯困難，加上孿晶界等缺陷對位錯滑移的阻礙作用，使得退火時材料的硬度增加。同時建立了一種新的納米金屬空位形