【摘 要】
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块体超细晶金属材料因其具有非常高的强度,在轻量化和节能方面有很好的应用前景。剧烈塑性变形作为一种行之有效的手段被广泛用于制备块体超细晶金属材料。过去的30多年来,人们对剧烈塑性变形制备超细晶材料的工艺摸索以及大变形引起的微观结构演变和对材料力学性能的影响有了深入的研究。然而,由于具有较小的晶粒尺寸,块体超细晶材料与传统粗晶材料相比,其拉伸塑性往往较差。工业应用普遍要求材料具有一定拉伸塑性/延展性来
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块体超细晶金属材料因其具有非常高的强度,在轻量化和节能方面有很好的应用前景。剧烈塑性变形作为一种行之有效的手段被广泛用于制备块体超细晶金属材料。过去的30多年来,人们对剧烈塑性变形制备超细晶材料的工艺摸索以及大变形引起的微观结构演变和对材料力学性能的影响有了深入的研究。然而,由于具有较小的晶粒尺寸,块体超细晶材料与传统粗晶材料相比,其拉伸塑性往往较差。工业应用普遍要求材料具有一定拉伸塑性/延展性来提高材料的韧性,因此,材料科学家一直孜孜以求为打破这种强度-拉伸塑性的倒置关系。近年来,研究发现通过构建多尺度晶粒分布异质结构,能够显著改善块体纳米晶/超细晶材料的拉伸塑性,获得优异的强-塑性匹配。因此,本文将研究多尺度晶粒分布异构金属材料制备及变形过程中的组织结构演变、力学性能及两者之间的联系。本文以商用纯钛和黄铜为研究对象,利用等径角挤压（ECAP）剧烈塑性变形方法制备块体超细晶结构样品,并对变形得到的超细晶材料在不同热处理条件下进行退火,制备具有多尺度晶粒分布的异构金属材料。采用显微分析手段揭示不同退火条件下超细晶纯钛和黄铜的微观组织演变规律,探究多尺度晶粒分布异构材料的拉伸变形机制,并结合异变诱导强化理论揭示其优异力学性能的本质。主要实验结论如下:（1）利用室温四道次ECAP变形结合500℃-30min部分再结晶退火工艺,制备出具有优异强-塑性匹配的多尺度晶粒分布异构纯钛（Multi-Ti）,晶粒尺寸主要分布范围为200 nm-3.5μm,微米再结晶区（软区）与超细晶区（硬区）体积比例约为3:7。其屈服强度为800 MPa,抗拉强度为950 MPa,拉伸均匀延伸率和断裂延伸率分别为～13%,～28%。Multi-Ti优异的强-塑性匹配主要归结于软-硬界面在协调变形过程中产生大量的几何必须位错堆积序列,形成较强的长程内应力,即背应力,反作用于位错源,强化软区;同时在硬区中形成了相应的前应力,帮助硬区变形,并使局部的应力状态由单向应力状态转变为多向应力状态,有助于协调整体塑性变形。此外,在位错积累的基础上,软-硬界面处堆积的大量几何必须位错序列提供了额外的加工硬化作用,提高了材料的拉伸塑性。（2）Multi-Ti拉伸变形过程中位错大量增殖,不仅在微米再结晶中产生了高密度的位错,超细再结晶内也积累了大量位错。双束衍射条件下,根据位错消光准则,发现微米晶内高密度的位错缠结区主要是柱面位错和锥面位错,以及少量位错。Multi-Ti优异的拉伸塑性主要归因于其较高的加工硬化能力和微米再结晶与部分超细晶晶内相当高的位错存储能力。（3）利用ECAP变形结合250℃-200min部分再结晶退火工艺,制备出具有多尺度晶粒分布异构黄铜材料,ECAP+250℃-200 min黄铜作为典型的异构材料没有得到优异的综合拉伸力学性能,仍然遵循着传统的强度-塑性倒置规律。主要原因是ECAP+250℃-200 min黄铜中尽管存在明显的软硬两区,但由于硬区与软区的产生塑性变形的流变应力相差太大,且硬区内本身积累了大量的变形结构（位错亚结构、形变孪晶等）,很难继续变形。在材料整体经历少量变形后,软-硬界面由于应力集中过大,难以协同变形,形成微裂纹,从而失效断裂。（4）对于多尺度晶粒分布的异构金属材料,影响异变诱导应力的大小及其作用的因素有很多。本研究发现在软硬区体积比相近的情况下,软-硬界面密度越大,产生的异变诱导应力越大,异变诱导强化和硬化效果越明显;硬区需具有一定的塑性变形能力,且与软区产生塑性变形的流变应力相差不宜过大,才能发挥异变诱导应力的作用。
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