純鋁的晶粒細化機制及動態(tài)力學(xué)性能的研究.pdf

1、納米晶體材料以其結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)異而倍受關(guān)注。但是由于制備技術(shù)和團聚問題等未能解決，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，通過表面機械研磨技術(shù)(SMAT)，在金屬材料表面己成功的制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實現(xiàn)了表面納米化。然而對于金屬材料表層納米結(jié)

2、構(gòu)的微觀組織演變、性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)的研究。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制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)等測試設(shè)備系統(tǒng)地研究了表面機械研磨處理后純鋁表面層不同深度的微觀結(jié)構(gòu)特征；測試了表面層的硬度分布；根據(jù)表面層應(yīng)變引入的微觀結(jié)構(gòu)特征，提出了純鋁表面機械研磨導(dǎo)致晶粒細化的機制。 并以分離式霍普金森壓桿(Hopkinson壓

3、桿)裝置為研究手段，研究了純鋁在常溫高應(yīng)變速率(1000-2300s-1)下的動態(tài)壓縮行為。通過對應(yīng)力～應(yīng)變曲線的對比研究，分析了應(yīng)變速率對流變應(yīng)力和屈服強度的影響； 并通過透射電子顯微鏡分析了純鋁顯微組織對動態(tài)壓縮性能的影響。得到以下主要結(jié)論: 1.純鋁經(jīng)表面機械研磨處理后，表層形成了等軸、隨機取向的納米晶粒，晶粒平均尺寸約為6nm。表面層微觀結(jié)構(gòu)隨距離表面深度的增加，呈梯度變化，變形表層可以分為兩個部分(1)納米晶區(qū)

4、(約0～20μm)和(2)發(fā)生明顯塑性變形的亞微晶區(qū)(約20～65μm)。隨距離表面深度增加，微觀應(yīng)變和應(yīng)變速率逐漸減小，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、積聚和重排而形成。位錯纏結(jié)結(jié)構(gòu)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、亞晶和位錯墻-顯微帶結(jié)構(gòu)(DDWs-MBs)，層狀胞塊結(jié)構(gòu)(lamellar

5、cell block)。并隨著應(yīng)變和應(yīng)變速率的進一步增加，晶粒細化遵循逐漸細分原則，逐漸在表面形成隨機取向的納米晶。 3.研究結(jié)果表明高應(yīng)變量、高應(yīng)變速率的塑性變形對純鋁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，細化晶粒尺寸可以減小到納米量級。 4.SMAT后純鋁樣品橫截面上的硬度測試結(jié)果表明，樣品表面納米層的顯微硬度約為心部基體硬度的兩倍以上，隨著距離樣品表面深度的增加，顯微硬度值逐漸減小。其表面硬

6、度的增大可歸因于晶粒細化效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。 5.SMAT后純鋁樣品的極化腐蝕實驗表明，通過SMAT方法所獲得的納米晶結(jié)構(gòu)表層可以使材料的耐腐蝕性有所提高，這是由于納米結(jié)構(gòu)表層較容易產(chǎn)生鈍化，進而提高了材料的耐腐蝕性。 6.從應(yīng)力～應(yīng)變曲線上的特征看，隨著應(yīng)變速率的提高，純鋁的強度和初始加工硬化率明顯增加，并表現(xiàn)為正應(yīng)變速率敏感性。 7.從應(yīng)力～應(yīng)變曲線上的特征看，有明顯的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶特點；