梯度納米晶鎳的力學性能和加工硬化研究.pdf

1、制備納米晶與超細晶微觀組織的根本目標是希望在這類材料中獲得高的屈服強度和塑性（即塑性失穩(wěn)前的拉伸均勻伸長率）匹配。然而，這類材料的強度和塑性通常成倒置關系，即強度高但塑性差(均勻伸長率一般小于5％)，這一特點限制了納米晶與超細晶組織的結構應用。提高加工硬化能力，抑制早期塑性失穩(wěn)是提高均勻拉伸伸長率的有效途徑。迄今，已報道了多種提高應變硬化、均勻塑性的策略，例如在均質納米晶或超細晶微結構中引入納米孿晶、析出相/第二相，形成晶粒尺度的雙峰/

2、多峰分布，以及發(fā)生塑性變形誘導的相變/孿生變形等。最近的研究表明，晶粒尺度呈現(xiàn)梯度分布的納米晶結構(GNS，gradient nanograined structure)是提高納米晶塑性的新穎途徑，然而對梯度結構的屈服機理與應變硬化機理的研究還不深入。所以，研究并揭示多尺度晶粒結構的力學行為、加工硬化以及微觀結構機制，具有重要的科學意義和應用價值。
　　本文選取商業(yè)純鎳(Ni＞99.6％）作為模型材料，利用塑性變形技術制備了兩種納

3、米晶結構，即利用表面機械研磨處理(SMAT)獲得晶粒尺度為梯度分布的納米晶結構，利用等通道角擠壓(ECAP)+退火獲得軟/硬微區(qū)的復合微觀結構;通過準靜態(tài)單軸拉伸測試、顯微硬度測試和循環(huán)應力松弛測試等，研究和分析塑性變形行為和力學性能;利用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進行微觀結構表征，最后分析并闡明了兩種微觀結構的塑性變形機理和應變硬化機理。論文的主要結論如下:
　　1.利用SMAT技術獲

4、得了GNS-Ni。準靜態(tài)拉伸實驗結果表明，GNS-Ni的屈服強度取決于梯度層的硬度及其分布，GNS-Ni的屈服強度范圍在260-450MPa之間，為粗晶Ni(70MPa)的4-6倍;相比CG-Ni45％左右的均勻塑性，GNS-Ni的均勻塑性為13％-35％。
　　觀察到GNS-Ni存在四種屈服現(xiàn)象，即1）連續(xù)屈服(continuousyielding)，即變形時應力不斷增加，產(chǎn)生連續(xù)的應變硬化;2）瞬態(tài)應變硬化(transient

5、hardening)，即材料屈服后，應力緩慢上升，應變硬化率產(chǎn)生平臺，最終進入連續(xù)的應變硬化;3）屈服點(yield point)，即進入塑性變形后，出現(xiàn)應力降低，但材料不失穩(wěn)，在很小的應變范圍內應力上升，重新獲得應變硬化能力;4）屈服降(yield drop)即進入塑性變形后，出現(xiàn)應力降低，材料迅速失穩(wěn)斷裂，無應變硬化能力。其中，首次在梯度結構材料中觀察得到屈服點現(xiàn)象。
　　拉伸變形前后的顯微硬度測試結果表明，拉伸前材料整體呈硬

6、度梯度分布，表層硬度高，心部硬度低。拉伸后材料整體硬度均得到提升，但心部硬度的上升高于梯度表層，因此，梯度表層和心部硬化能力的適當保留，使梯度樣品獲得了良好的強度-塑性匹配。
　　循環(huán)應力松弛實驗結果表明，相比粗晶(CG，coarse grain)在變形過程中可動位錯密度逐漸降低，yieldpoint的梯度結構在變形過程中可動位錯密度的趨勢為先下降后上升，結合經(jīng)典的位錯理論分析可知，梯度結構在拉伸變形的過程中，可動位錯不斷形成且密

7、度不斷增加，產(chǎn)生加工硬化，有效抑制材料的變形局部化，從而提高均勻塑性。
　　2.利用ECAP技術對1道次制備了超細晶Ni，透射電子顯微鏡觀察結果表明，原始超細晶鎳具有層片狀結構特征，片層厚度約為300-500 nm。對ECAP擠壓后樣品進行不同溫度、不同時間的退火處理。
　　準靜態(tài)拉伸實驗結果表明，原始UFG-Ni的屈服強度為570 MPa，為粗晶的近6倍，但只有1％的均勻拉伸伸長率。經(jīng)427℃×54 h退火后，屈服強度與原

8、始超細晶相比幾乎保持不變，卻獲得了5％的均勻拉伸伸長率。477℃×8h退火后，材料的屈服強度降為320MPa，但獲得了17％的均勻拉伸伸長率，具有良好的綜合力學性能。
　　電子背散射衍射和透射電子顯微鏡觀察結果表明，兩種退火制度均使材料獲得了軟-硬微區(qū)結構，再結晶晶粒呈島狀分布于變形態(tài)晶粒中。477℃×8h退火組織，再結晶晶粒尺寸（＞10μm）和體積分數(shù)較大（50％左右）;427℃×54h退火組織，再結晶晶粒體積分數(shù)較?。?0％左