论文部分内容阅读
超细晶(UFG)和纳米(NS)结构材料由于其独特的结构和优异的性能，近些年来备受关注，塑性变形方式是制备这类材料的有效方式之一，但通过改变应变路径及增加应变量的严重塑性变形方法难以有效地细化纯铝的微观结构。最近通过动态塑性变形技术(DPD)成功地制备出块体超细晶金属样品，为我们深入系统地研究块体超细晶结构材料的微观结构和力学性能提供了条件。本研究利用动态塑性变形法和室温单向准静态压缩法(RT-QSC)，对不同纯度的纯铝系列样品(铝原子质量百分比含量分别为99.999％、99.993％和99.7％的纯铝，简称为5N、4N和2N Al)进行变形处理，制备出不同结构和力学性能的超细晶纯铝块体样品。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对样品的微观结构进行表征。利用微观硬度测试和单向拉伸等手段对不同样品的力学性能进行测试。系统研究了变形条件与纯度对变形纯铝微观结构和力学性能的影响，并通过液氮温度动态塑性变形(LNT-DPD)制备的应变量为1.59的4N Al及其338 K5小时退火的样品研究了小角界面的相关力学性能。主要研究结果如下：
㈠变形温度和应变速率对4N Al微观结构和维氏硬度的影响：⑴降低变形温度和增大应变速率有利于应变导致的亚晶粒细化。LNT-DPD变形处理得到的亚晶粒的饱和平均短轴尺寸为240 nm左右，小于RT-QSC变形方式处理得到的512 nm的结果，这主要归因于在液氮变形温度和高达103 s-1的应变速率的变形条件下位错密度的显著增加。在这种塑性变形条件下，动态回复被有效抑制，进而通过形成大量的界面来细化亚晶粒。几乎所有的DPD样品界面的取向差角度均小于15度，LNT-DPD样品中大部分亚晶界的取向差小于5度。⑵由于低温高速变形过程中亚晶粒显著的细化，变形态4N Al的维氏硬度随着亚晶粒尺寸的减少而增加，并能很好地符合Hall-Petch关系，变形导致的低角界面起到了类似于普通高角晶界的强化作用。
㈡纯度对LNT-DPD纯铝系列微观结构和力学性能的影响：⑴LNT-DPD2N、4N和5N纯铝系列晶粒/亚晶粒的饱和平均短轴尺寸均在240 nm左右，几乎不受纯度的影响。⑵纯度对LNT-DPD纯铝系列样品的回复及再结晶产生了一定程度的影响，5N Al样品中观察到了明显的再结晶区域的出现。EBSD结果表明纯度对LNT-DPD变形导致的晶粒/亚晶粒界面取向差有较明显的影响：4N及5N Al样品变形区域界面的取向差集中在10度以下，平均取向差分布在2到3度之间，而2N Al样品界面的平均取向差则可达到14度左右。⑶相近晶糊亚晶粒尺寸的条件下，LNT-DPD2N Al样品的维氏硬度明显高于4N及5N Al这主要归结于LNT-DPD2N Al样品晶粒/亚晶粒内部较高位错密度以及界面取向差分布的影响。⑷LNT-DPD2N Al样品中界面取向差大于2度的低角界面同样可以起到与普通高角晶界一样的强化效果。
㈢LNT-DPD4N Al中相关小角晶界力学性能研究：⑴LNT-DPD4N Al应变量1.59样品338 K5小时退火后亚晶粒尺寸发生略微长大，样品的长短轴尺寸分别由退火前的342和236 nm增加到退火后的344和252 nm，而样品界面的平均取向差则由退火前的3.5度降低到退火后的3.2度。⑵应变量1.59的LNT-DPD4N Al样品经338 K5小时退火后，其屈服强度从退火前的154 MPa上升到退火后的168 MPa，而样品退火前后其断裂延伸率均在17％左右几乎无变化。低温退火导致亚晶粒在略微长大的同时可动位错密度迅速下降，而拉伸变形时低角晶界需要更高的应力水平来激活位错源产生位错，这使得样品退火后屈服强度增加，而在拉伸变形过程中低角界面相对于高角晶界更有利于位错的塞积，从而为退火态样品提供了一定的塑性，补偿了由于可动位错密度的降低，造成样品塑性的下降。