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最近发展起来的动态塑性变形(dynamic plastic deformation,DPD)是一种制备纳米结构块体材料的有效方法。对DPD导致的微观结构与变形机制进行深入的研究是DPD技术发展与应用的基础。本论文系统研究了室温DPD(RT-DPD)处理的Cu-Al合金(Cu-4.5 wt.％ Al)的微观结构和变形机制,重点揭示了纳米孪晶区域内剪切带的形成及其内部微观结构演变的过程；研究了退火处理对RT-DPD Cu-Al微观结构与力学性能的影响；此外,探索了液氮温度DPD(LNT-DPD)处理的纯Cu中变形结构与晶体取向的关系。主要结果如下:
1.系统研究RT-DPD Cu-Al的结构演变过程
RT-DPD变形导致Cu-Al合金的结构演变过程为:小变形量时(ε<0.5)以机械孪生为主,而在中等变形量以后(ε>0.5)则以高密度孪晶区域的剪切带变形为主；在不同变形量的样品中,都有一些区域内的变形以位错滑移为主。RT-DPD Cu-Al中变形孪晶区域的体积分数随着变形量的增加呈现先增加、随后由于剪切带的形成而减小的变化趋势,样品中可得到的变形孪晶区域的最大体积分数约为60％。RT-DPD Cu-Al的微观结构演变符合室温、低应变速率变形的低层错能材料(例如黄铜)的结构演变特征。
2.制备纳米混合结构的Cu-Al块体样品
RT-DPD处理至ε=1.67时,成功制备出纳米混合结构的Cu-Al合金块体样品,其内部结构包括体积分数为18％的纳米孪晶(孪晶/基体层片厚度为～10 nm)、59％的纳米晶粒/亚晶粒(晶粒短轴尺寸为～53 nm)以及23％的纳米级位错结构(层状位错界间距为～88 nm)。该样品的拉伸屈服强度(765 MPa)相对于粗晶态样品(71 MPa)得到了显著提高,但是拉伸均匀延伸率(1.4％)则显著降低。
3.揭示RT-DPD Cu-Al中剪切带的形成及其结构演变过程
对RT-DPD Cu-Al(ε=1.67)中纳米孪晶区域内剪切带的系统研究表明,根据剪切带厚度及其微观结构随剪切应变量的变化,可以将剪切带的形成过程分为两个阶段,即萌生阶段和增厚阶段。
剪切带内结构演变:在剪切带的萌生阶段(γ<7),剪切变形主要集中在100～200 nm厚的带状区域内(称之为核心区),其内部的剪切应变显著大于其外部区域；紧邻核心区两侧的孪晶/基体层片也发生了弯曲变形,但其剪切应变量远低于核心区(γ<1,称之为过渡区),并逐渐过渡到剪切应变为0的原始孪晶区域。在萌生阶段,随着剪切应变的增加,剪切带核心区的厚度基本保持不变,其内部结构则经历了以下三个步骤的演变过程:(1)孪晶/基体层片的弯曲与消失:剪切变形导致了原始孪晶/基体层片的弯曲；与此同时,孪晶界上位错运动的结果导致了孪晶层片的不断减薄直至消失；(2)层状位错结构的形成:协调剪切应变及其应变梯度的结果导致了平行于剪切方向的延长位错界的形成；而孪晶层片减薄消失时,其两侧的孪晶界合并消失,孪晶界上的位错经过累积、湮灭及重排后形成了小角位错界；(3)层状位错结构演变成纳米晶粒/亚晶粒。
增厚机制:当剪切带核心区内形成了纳米晶粒/亚晶粒后,继续剪切变形则进入剪切带的增厚阶段(γ>7),即剪切带厚度不断增大而形成发展完善的剪切带。在这一阶段,核心区厚度的增加是由其两侧的过渡区不断向外推移而实现的:在核心区内剪切应变显著增大的过程中,过渡区内的剪切应变也不断累积,导致过渡区内的孪晶/基体层片发生变形而演变成位错结构和纳米晶粒/亚晶粒结构(其过程类似于上述剪切带萌生阶段的第(2)和第(3)步骤),从而使过渡区并入核心区,与此同时,原过渡区的外侧形成了新的过渡区并继续变形,如此反复,则剪切带不断拓宽。发展完善的剪切带内的晶粒尺寸明显大于原始的孪晶/基体层片的尺寸,并且核心区边缘的晶粒尺寸明显大于其芯部的晶粒尺寸。因此,在剪切的增厚过程中,大部分的剪切变形集中在核心区内靠近过渡区的交界处。
4.退火处理制备高强度和高塑性的Cu-Al混合结构
RT-DPD Cu-Al样品(ε=1.67)等温退火的结果表明,形变孪晶及位错结构的热稳定性优于剪切带内的纳米晶。在300℃/20 min退火的样品中,纳米晶发生再结晶而大部分形变孪晶及位错结构得以保留,得到一种由纳米孪晶、纳米级位错结构以及微米再结晶晶粒组成的混合结构。该样品同时具备较高的屈服强度(377 MPa,为粗晶样品的5.3倍)和较好的拉伸均匀延伸率(20.8％)。
5.揭示LNT-DPD Cu中孪生与晶体取向的关系
在LNT-DPD处理的的纯Cu(ε=0.33)中,变形孪晶对晶体取向依赖性的研究显示:变形孪晶在接近[001]取向的晶粒中更容易产生,而在接近[101]取向的晶粒中则不容易产生,即变形孪晶容易产生在mT较大的取向的晶粒内,并且通常产生在每个晶粒内具有较大mT的孪生面上。