典型金屬的劇烈塑性變形成組織性能演變.pdf

1、劇烈塑性變形是一種制備塊體超細(xì)晶/納米晶材料的方法，近年來受到了廣泛的關(guān)注。通過劇烈塑性變形法細(xì)化材料的組織，可以顯著地提高材料的力學(xué)性能，改變其物理化學(xué)性能。本文從具有典型晶體結(jié)構(gòu)(面心立方、體心立方、密排六方)的金屬中選擇銅、鎳、鋁、鎢、鈦等純金屬進(jìn)行劇烈塑性變形，對其組織性能演變規(guī)律進(jìn)行研究。
　　 通常認(rèn)為劇烈塑性變形組織細(xì)化的機(jī)理有：位錯結(jié)構(gòu)演化、剪切帶細(xì)化以及孿生細(xì)化等。隨著研究的深入，連續(xù)再結(jié)晶在劇烈塑性變形中的作

2、用受到重視。已有的研究表明，在大變形量(如軋制壓下率>95％)、高的應(yīng)變速率和較低的變形溫度等條件下，由于可以獲得相對均勻的變形組織(如對鋁而言大角度晶界比例>70％)、同時較低的溫度有利于抑制晶界的快速長程遷移，從而有利于抑制不連續(xù)再結(jié)晶，促進(jìn)連續(xù)再結(jié)晶的發(fā)生。這些條件在通常的塑性加工中難以滿足，阻礙了對連續(xù)再結(jié)晶規(guī)律的深入認(rèn)識。而這些條件恰好符合劇烈塑性變形的特征，因而可望通過劇烈塑性變形中組織演變的研究推動連續(xù)再結(jié)晶的研究，同時也

3、為探索劇烈塑性變形組織細(xì)化機(jī)制提供一條新的途徑。本文就此問題以面心立方金屬為研究對象，選擇堆垛層錯能不同的銅、鎳、鋁進(jìn)行研究。
　　 細(xì)化晶粒是改善金屬材料韌性的有效方法。體心立方結(jié)構(gòu)的鎢具有熔點高、強度高等特點，在軍事和民用領(lǐng)域都有很多應(yīng)用。然而由于塊體金屬鎢在室溫下處于脆性狀態(tài)而極大地限制了其應(yīng)變。探索采用劇烈塑性變形來細(xì)化純鎢的晶粒組織，研究降低其韌脆性轉(zhuǎn)變溫度的潛力和機(jī)制，可望對這種難熔重金屬的性能改進(jìn)和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大做

4、出貢獻(xiàn)。
　　 孿生是兩種晶體學(xué)塑性變形機(jī)制之一。已經(jīng)進(jìn)行的研究表明機(jī)械孿生可以對某些面心立方金屬在特殊條件下塑性變形中的組織細(xì)化和性能提高起到關(guān)鍵重要作用。但其在通常比面心立方金屬更易于發(fā)生孿生的密排六方金屬中是否可起到同類作用卻并不清楚。另一方面作為典型密排六方結(jié)構(gòu)金屬的鈦，其力學(xué)性能的提高對其生物醫(yī)學(xué)等應(yīng)用具有重要的意義。因此本文選擇鈦作為密排六方金屬的典型代表來探索劇烈塑性變形中孿生對組織演變與材料強化的作用。
　

5、　 本研究主要圍繞以上三個問題進(jìn)行研究，通過典型面心立方、體心立方、密排六方金屬銅、鎳、鋁、鎢、鈦的劇烈塑性變形、透射電子顯微分析、背散射電子衍射分析、掃描差熱分析、力學(xué)性能試驗等，探索了劇烈塑性變形中材料組織演變的機(jī)理和性能演變規(guī)律。在本研究范圍內(nèi)，具有低中高堆垛層錯能的面心立方金屬銅、鎳、鋁，在室溫等徑角變形中都以位錯滑移變形為主，沒有觀察到孿生現(xiàn)象，其組織演變以位錯結(jié)構(gòu)演化及相關(guān)的回復(fù)和再結(jié)晶為主；由于鎢在室溫下硬而脆，本文中其

6、變形選擇在高溫下進(jìn)行，也沒有觀察到孿生。密排六方的金屬鈦，在室溫等徑角變形中觀察到孿生的顯著貢獻(xiàn)，變形中滑移位錯和孿晶的交互作用對組織演化起到重要作用。這些研究取得以下主要結(jié)論：
　　 (1)高層錯能的金屬鋁(γm=200 mJ/m2)在室溫等徑角變形中通過“位錯回復(fù)形成低位錯密度的板條狀亞結(jié)構(gòu)→板條分割形成亞晶?！鷣喚ЯＶ饾u等軸化”的方式發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶；低層錯能的金屬銅(γm=40 mJ/m2)在室溫等徑角變形中通過“位錯

7、繞結(jié)形成位錯胞→位錯胞壁凝聚形成亞晶界→亞晶合并形成大角度晶界”的方式發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶；由于室溫只相當(dāng)于鎳熔點的～0.17，金屬鎳(γm=130 mJ/m2)在室溫等徑角變形中沒有發(fā)生再結(jié)晶，但由于層錯能的作用，其位錯組織演變處于銅和鋁的組織演變模式之間，先形成高密度位錯的板條狀組織，隨變形量的增大板條逐漸細(xì)化，后期通過跨板條的合并局部形成大角度界面的等軸組織。
　　 (2)金屬的層錯能(γm)和變形條件(以Zener-Hol

8、lomon參數(shù)Z表示)對金屬的動態(tài)再結(jié)晶方式起決定性作用，當(dāng)γm·ln2Z>30時，金屬在變形過程中發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶將是連續(xù)的。
　　 (3)通過高溫等徑角變形，工業(yè)純鎢的晶粒由～50μm細(xì)化到～1μm，組織更加均勻。高溫硬度試驗和拉伸力學(xué)性能試驗表明，其韌脆性轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)降了70～130℃，不同試驗溫度下硬度提高～50％，強度提高約一倍。通過高壓扭轉(zhuǎn)變形，可以將純鎢的組織細(xì)化到～150 nm，顯微硬度提高100％，在一

9、定溫度范圍內(nèi)，這種納米結(jié)構(gòu)的組織比粗晶鎢常規(guī)變形組織具有更好的熱穩(wěn)定性。
　　 (4)工業(yè)純鈦經(jīng)兩道次室溫等徑角變形(累積等效真應(yīng)變～0.9)，在組織中形成大量孿晶，產(chǎn)生孿晶強化，拉伸屈服強度達(dá)到～730MPa，顯微硬度達(dá)到～HV240。高于前人在高溫下等徑角變形加工8～12道次(等效真應(yīng)變約8～12)后的屈服強度(620～640MPa)，接近Ti-6Al-4V的屈服強度。
　　 (5)工業(yè)純鈦室溫等徑角變形后組織中觀察