復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下超細(xì)晶材料的力學(xué)性能研究.pdf

1、超細(xì)晶金屬材料具有高強(qiáng)度，但其低的拉伸塑性限制了其工業(yè)應(yīng)用，這是由于超細(xì)晶材料的晶粒尺寸比較小，位錯(cuò)難以在晶粒內(nèi)部累積產(chǎn)生加工硬化所致。不少研究者通過(guò)改變超細(xì)晶材料的微觀結(jié)構(gòu)使其重獲加工硬化能力，也有不少學(xué)者從外部變形條件入手提高其拉伸塑性，目前已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超細(xì)晶材料在低溫和高應(yīng)變速率下塑性有所提升，但應(yīng)力狀態(tài)對(duì)超細(xì)晶材料力學(xué)性能的影響仍缺乏相關(guān)的研究。
　　本文主要探討應(yīng)力狀態(tài)對(duì)超細(xì)晶材料力學(xué)性能的影響，由于材料在頸縮產(chǎn)生

2、后由單向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎噍S應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)研究超細(xì)晶材料在頸縮后的塑性變形能力，并通過(guò)進(jìn)一步引入的缺口拉伸試驗(yàn)來(lái)分析應(yīng)力狀態(tài)對(duì)超細(xì)晶材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)分別選取劇烈塑性變形法制備的超細(xì)晶銅、超細(xì)晶鋁、超細(xì)晶鈦和其同成分粗晶材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，在拉伸過(guò)程中配合使用三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)（ARAMIS）得到超細(xì)晶材料和粗晶材料拉伸變形的全過(guò)程以及應(yīng)變分布情況，同時(shí)有限元模擬給出頸縮區(qū)域和缺口區(qū)域的應(yīng)力分布和應(yīng)力三軸度，韌性斷裂機(jī)制和斷口的相關(guān)信

3、息通過(guò)掃描電鏡(SEM)給出，得出以下結(jié)論：⑴雖然超細(xì)晶材料與粗晶材料工程應(yīng)力----應(yīng)變曲線上整體的斷裂延伸率相差很大，但僅考慮處于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的頸縮階段，發(fā)現(xiàn)頸縮區(qū)域超細(xì)晶材料和粗晶材料的塑性變形能力相當(dāng)，并且兩者頸縮區(qū)域的軸向真實(shí)應(yīng)力均比單向應(yīng)力狀態(tài)下有所提高。缺口實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下超細(xì)晶材料的強(qiáng)度提高，并且塑性變形能力與粗晶材料相當(dāng)。⑵有限元模擬揭示了頸縮區(qū)域和缺口處的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力三軸度。應(yīng)力三軸度影響材料的斷裂應(yīng)

4、變。隨著應(yīng)力三軸度的提高，材料的斷裂應(yīng)變下降，并且粗晶銅更為明顯。由于金屬材料的韌性破斷都是源于空穴的形核、長(zhǎng)大與聚合。隨著應(yīng)力三軸度的提高，空穴的擴(kuò)張速率越快，同時(shí)空穴的長(zhǎng)大與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，由于晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，空穴難以從一個(gè)晶粒向另一個(gè)晶粒擴(kuò)展，使得超細(xì)晶材料中的空穴長(zhǎng)大比較困難。因此，隨著應(yīng)力三軸度的提高，超細(xì)晶材料斷裂應(yīng)變下降的幅度比粗晶材料低。⑶應(yīng)力狀態(tài)影響超細(xì)晶材料的變形機(jī)制。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料的塑性變形被抑制，