超細晶純金屬材料塑性變形與損傷行為的溫度效應.pdf

1、等通道轉角擠壓(ECAP)制備的超細晶材料由于具備優(yōu)越的力學性能而受到研究者的普遍關注。但由于材料在嚴重塑性變形(SPD)制備過程中累積了大量的應變而使其處于亞穩(wěn)態(tài)，在高溫服役過程中容易發(fā)生結構變化以及性能下降。目前，關于此類超細晶材料的高溫性能及結構穩(wěn)定性的認識尚不系統(tǒng)。因此，本論文選用不同晶體結構的純金屬（面心立方fcc Cu、密排六方hcp Ti和體心立方bcc Fe）作為研究對象，系統(tǒng)研究了ECAP制備的相應超細晶純金屬材料的熱

2、穩(wěn)定性及高溫壓縮變形損傷行為，重點考察了載荷與溫度共同作用對此類材料微觀結構、力學性能以及變形與損傷特征的影響。
　　ECAP工藝處理可使三種金屬的晶粒均細化至亞微米量級。ECAP處理后的fcc純金屬銅的DSC響應曲線中出現(xiàn)明顯的再結晶放熱峰，而bcc超細晶鐵和hcp超細晶鈦的DSC響應曲線無尖銳的放熱峰，表明SPD制備的不同晶體結構的超細晶材料可表現(xiàn)出明顯不同的熱穩(wěn)定性特征。
　　經(jīng)過ECAP處理的不同晶體結構的超細晶純金

3、屬材料相對其粗晶態(tài)均表現(xiàn)出更高的壓縮屈服應力和穩(wěn)態(tài)流變應力。ECAP處理后的所有材料均表現(xiàn)出應變硬化行為的缺失，只在變形初始階段表現(xiàn)為快速硬化，隨后進入穩(wěn)態(tài)流變階段并伴有不同程度的軟化行為。超細晶純金屬的穩(wěn)態(tài)流變應力和壓縮屈服應力一般隨著溫度的升高而降低。而bcc超細晶鐵在溫度高于其再結晶溫度時，其強度變化無明顯規(guī)律性。hcp超細晶鈦和fcc超細晶銅均為壓縮屈服應力正應變速率敏感性材料，而bcc超細晶鐵在高溫下表現(xiàn)為負的應變速率敏感性。

4、另外，超細晶鈦的壓縮流變應力與應變速率、實驗溫度的關系可用雙曲正弦修正的Arrhenius方程擬合，ECAP處理使純鈦的變形激活能降低。
　　溫度對不同晶體結構的超細晶純金屬的表面變形特征產(chǎn)生不同的影響。對于fcc超細晶銅，在低于再結晶溫度下壓縮后表面主要表現(xiàn)為損傷嚴重的大尺度剪切帶變形;當溫度高于再結晶溫度，剪切帶基本消失，僅有少量微孔洞或微裂紋沿粗化晶粒的晶界萌生。對于hcp超細晶純鈦，在低于再結晶溫度的范圍內(nèi)，以剪切帶變形為

5、主，隨著溫度升高剪切帶變得更加細密;當溫度高于再結晶溫度，表面呈現(xiàn)出粗化晶粒變形而形成的擠出擠入帶，表現(xiàn)出較好的協(xié)調(diào)變形能力。而對于bcc超細晶鐵，在低于再結晶溫度的范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的晶界協(xié)調(diào)變形能力，流變剪切帶內(nèi)出現(xiàn)大量的次級剪切線;當溫度高于再結晶溫度時，晶界協(xié)調(diào)變形能力降低，沿剪切帶產(chǎn)生明顯的裂紋。
　　溫度對不同超細晶材料壓縮變形后微觀結構變化的影響不同。對于fcc超細晶銅，在低于再結晶溫度下，壓縮后大部分保持超細晶晶粒和

6、高密度位錯，少量晶粒發(fā)生了輕微的粗化;在接近再結晶溫度時，晶粒發(fā)生了明顯的粗化，位錯密度顯著降低;在高于再結晶溫度時，晶粒發(fā)生了嚴重粗化，位錯密度極大降低。對于hcp超細晶純鈦，在低于再結晶溫度時，相對于初始態(tài)位錯密度有所增加，晶界和晶內(nèi)都存在大量位錯，晶界模糊;當溫度升高到接近再結晶溫度時，位錯密度明顯降低，晶界變得較為清晰;當溫度高于再結晶溫度，晶粒發(fā)生嚴重粗化，粗化的晶內(nèi)存在網(wǎng)格位錯或一些位錯纏結。而bcc超細晶鐵表現(xiàn)出獨特的微觀

7、結構變化，在溫度低于再結晶溫度時，在ECAP剪切流變帶內(nèi)存在超細尺度的亞結構;在接近再結晶溫度時，位錯密度明顯降低，流變剪切帶消失，晶粒大部分為發(fā)生動態(tài)再結晶而形成的具有清晰晶界的超細晶晶粒;在高于再結晶溫度情況下，發(fā)生了明顯的晶粒擇優(yōu)生長，晶內(nèi)和晶界處依然保留著較高密度的位錯。
　　超細晶銅在高溫壓縮下的晶粒粗化行為與應變速率有關，應變速率越大，粗化的局部化越明顯;而應變速率越小，更多的晶粒發(fā)生整體粗化。高溫循環(huán)加載促使晶粒粗化