梯度納米晶鎳的力學(xué)性能和加工硬化研究.pdf

1、制備納米晶與超細(xì)晶微觀組織的根本目標(biāo)是希望在這類材料中獲得高的屈服強(qiáng)度和塑性（即塑性失穩(wěn)前的拉伸均勻伸長(zhǎng)率）匹配。然而，這類材料的強(qiáng)度和塑性通常成倒置關(guān)系，即強(qiáng)度高但塑性差(均勻伸長(zhǎng)率一般小于5％)，這一特點(diǎn)限制了納米晶與超細(xì)晶組織的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(zhǎng)率的有效途徑。迄今，已報(bào)道了多種提高應(yīng)變硬化、均勻塑性的策略，例如在均質(zhì)納米晶或超細(xì)晶微結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)(GNS，gradient nanograined structure)是提高納米晶塑性的新穎途徑，然而對(duì)梯度結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)理與應(yīng)變硬化機(jī)理的研究還不深入。所以，研究并揭示多尺度晶粒結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、加工硬化以及微觀結(jié)構(gòu)機(jī)制，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)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(shù)制備了兩種納

3、米晶結(jié)構(gòu)，即利用表面機(jī)械研磨處理(SMAT)獲得晶粒尺度為梯度分布的納米晶結(jié)構(gòu)，利用等通道角擠壓(ECAP)+退火獲得軟/硬微區(qū)的復(fù)合微觀結(jié)構(gòu);通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸測(cè)試、顯微硬度測(cè)試和循環(huán)應(yīng)力松弛測(cè)試等，研究和分析塑性變形行為和力學(xué)性能;利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，最后分析并闡明了兩種微觀結(jié)構(gòu)的塑性變形機(jī)理和應(yīng)變硬化機(jī)理。論文的主要結(jié)論如下:
　　1.利用SMAT技術(shù)獲

4、得了GNS-Ni。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GNS-Ni的屈服強(qiáng)度取決于梯度層的硬度及其分布，GNS-Ni的屈服強(qiáng)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(shí)應(yīng)力不斷增加，產(chǎn)生連續(xù)的應(yīng)變硬化;2）瞬態(tài)應(yīng)變硬化(transient

5、hardening)，即材料屈服后，應(yīng)力緩慢上升，應(yīng)變硬化率產(chǎn)生平臺(tái)，最終進(jìn)入連續(xù)的應(yīng)變硬化;3）屈服點(diǎn)(yield point)，即進(jìn)入塑性變形后，出現(xiàn)應(yīng)力降低，但材料不失穩(wěn)，在很小的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力上升，重新獲得應(yīng)變硬化能力;4）屈服降(yield drop)即進(jìn)入塑性變形后，出現(xiàn)應(yīng)力降低，材料迅速失穩(wěn)斷裂，無(wú)應(yīng)變硬化能力。其中，首次在梯度結(jié)構(gòu)材料中觀察得到屈服點(diǎn)現(xiàn)象。
　　拉伸變形前后的顯微硬度測(cè)試結(jié)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(dāng)保留，使梯度樣品獲得了良好的強(qiáng)度-塑性匹配。
　　循環(huán)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比粗晶(CG，coarse grain)在變形過(guò)程中可動(dòng)位錯(cuò)密度逐漸降低，yieldpoint的梯度結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中可動(dòng)位錯(cuò)密度的趨勢(shì)為先下降后上升，結(jié)合經(jīng)典的位錯(cuò)理論分析可知，梯度結(jié)構(gòu)在拉伸變形的過(guò)程中，可動(dòng)位錯(cuò)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(shù)對(duì)1道次制備了超細(xì)晶Ni，透射電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，原始超細(xì)晶鎳具有層片狀結(jié)構(gòu)特征，片層厚度約為300-500 nm。對(duì)ECAP擠壓后樣品進(jìn)行不同溫度、不同時(shí)間的退火處理。
　　準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原始UFG-Ni的屈服強(qiáng)度為570 MPa，為粗晶的近6倍，但只有1％的均勻拉伸伸長(zhǎng)率。經(jīng)427℃×54 h退火后，屈服強(qiáng)度與原

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