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1、金屬材料塑性變形與強(qiáng)韌化機(jī)制探索：層錯(cuò)能效應(yīng)2009-10-30
2、編輯：材料疲勞與斷裂研究部
3、【大中小】【打印】【關(guān)閉】 隨著工業(yè)上對金屬材料強(qiáng)度與韌性指標(biāo)需求的逐步提高，人們采用了多種方法來強(qiáng)化金屬材料，其中利用嚴(yán)重塑性變形(SeverePlasticDeformation-SPD)方法制備的超細(xì)晶/納米晶金屬材料由于具有極高的強(qiáng)度而得到材料學(xué)界的廣泛關(guān)注。歷經(jīng)二十余年的研究與探索，材料科學(xué)工作者已可以成功利用SPD方法(例如：等通道轉(zhuǎn)角擠壓（EqualChannelAngularPressing-ECAP）技術(shù)、高壓扭轉(zhuǎn)（H
4、ighPressureTorsion-HPT）技術(shù)等)制備大塊、無殘余孔隙、無界面污染的超細(xì)晶/納米晶金屬材料，并在微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系方面有了深入的認(rèn)識。然而，由于其加工硬化能力的缺失，超細(xì)晶/納米晶金屬材料普遍存在著強(qiáng)度高塑性低的問題。因此，目前研究的重點(diǎn)已從材料制備和結(jié)構(gòu)表征，逐漸深入到微觀組織的調(diào)整和新變形機(jī)制的探索，力圖解決強(qiáng)度與塑性同步增長的難題?！ ∥宜鶑堈芊逖芯繂T及其課題組成員在國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“金屬材料強(qiáng)韌化的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備”的資助下，最近以單相Cu-Al合金為研究對象，通過改變Cu-Al合金中
5、Al的含量來調(diào)整其層錯(cuò)能，隨后利用ECAP方法制備超細(xì)晶材料，系統(tǒng)研究了層錯(cuò)能對Cu-Al合金微觀結(jié)構(gòu)演化、晶粒細(xì)化機(jī)制、強(qiáng)度與延伸率的影響。對于微米尺度晶粒材料，已經(jīng)知道層錯(cuò)能作為材料重要的本征參數(shù)對其變形機(jī)制和力學(xué)行為有著重要影響。對于Cu-Al合金隨著Al含量的增加層錯(cuò)能逐漸降低，因此在ECAP過程中的變形機(jī)制也會隨著鋁含量的不同而呈現(xiàn)明顯的區(qū)別，從而會顯著影響其晶粒細(xì)化機(jī)制。在對具有不同成分的Cu-Al合金經(jīng)過一道次ECAP擠壓變形后，大量實(shí)驗(yàn)觀察和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：隨著層錯(cuò)能的降低，變形孿晶和微觀剪切帶在承擔(dān)嚴(yán)重塑性變形過程
6、中起著越來越重要的作用，而且材料的滑移位錯(cuò)組態(tài)逐漸由波狀滑移方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫婊品绞?，微觀剪切帶從“銅型”剪切帶轉(zhuǎn)變?yōu)椤包S銅型”剪切帶，如圖1(a)所示。由于微觀變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變，在經(jīng)過多道次ECAP擠壓后，Cu-Al合金的晶粒細(xì)化機(jī)制也逐步由位錯(cuò)分割機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶碎化機(jī)制，如圖1(b)所示。同時(shí)結(jié)合前人關(guān)于形成超細(xì)晶均勻組織的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)具有相對較高或較低層錯(cuò)能材料比具有中等層錯(cuò)能材料更容易形成均勻的微觀變形結(jié)構(gòu)。 利用ECAP制備的超細(xì)晶材料，晶粒并不能無限細(xì)化，研究表明：當(dāng)晶粒細(xì)化到一定尺寸后會形成一個(gè)最小平衡晶粒尺寸（dm
7、in），通過綜合前人研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于不同材料歸一化的層錯(cuò)能Y/Gb與其最小晶粒尺寸dmin/b之間遵循線性關(guān)系：dmin/b=K(Y/Gb)（K是一個(gè)無量綱參數(shù)；b是柏氏矢量；G是剪切模量），如圖2所示。同時(shí)結(jié)合其它制備超細(xì)晶方法中得到的dmin，通過比較其K值發(fā)現(xiàn)，歸一化層錯(cuò)能Y/Gb對最小平衡晶粒尺寸dmin/b的影響程度取決于外部變形條件的劇烈程度，外加變形條件愈劇烈，最小平衡晶粒尺寸對歸一化層錯(cuò)能的影響程度愈小。其中ECAP變形程度在各種嚴(yán)重塑性變形方法中是相對較緩和的，這為通過改變合金的層錯(cuò)能來實(shí)現(xiàn)制備具有不同微觀結(jié)構(gòu)
8、與力學(xué)性能的合金材料提供了新的研究思路。? 隨后通過對經(jīng)各道次ECAP擠壓的Cu-Al合金樣品進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cu-Al合金的強(qiáng)度和均勻延伸率隨著層錯(cuò)能的降低具有同步提高的趨勢，如圖3(a)所示。大多數(shù)金屬材料，單純通過增加位錯(cuò)和晶界密度獲得超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，雖然其強(qiáng)度得到明顯的提高，但是由于加工硬化能力的缺失必然會導(dǎo)致其塑性的降低。結(jié)合最近報(bào)道的生長孿晶強(qiáng)化法和孿生誘導(dǎo)塑性機(jī)制，對于通過增加孿晶和層錯(cuò)密度得到的超細(xì)晶Cu-Al合金材料，不僅能夠有效地提高其強(qiáng)度，而且可以利用孿晶和層錯(cuò)來容納更多的位錯(cuò)而改善材料的加工硬化能力，從而使
9、材料的塑性在具有高強(qiáng)度的同時(shí)維持在較好水平，因而其強(qiáng)度與均勻延伸率表現(xiàn)出同步增長的趨勢，如圖3(b)所示?！ 〈送猓ㄟ^對ECAP制備態(tài)的超細(xì)晶Cu-Al合金進(jìn)行了一系列的退火和硬度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨層錯(cuò)能降低，微觀剪切帶在細(xì)化晶粒和承擔(dān)微觀變形方面起著更為重要的作用，這使得低層錯(cuò)能的超細(xì)晶Cu-Al合金的微觀結(jié)構(gòu)中存在更多容易進(jìn)行再結(jié)晶形核的位置，從而其熱穩(wěn)定性比之高層錯(cuò)能的Cu-Al合金稍差，如圖4(a)所示。對經(jīng)過不同溫度退火的Cu-Al合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有高Al含量的Cu-Al合金的拉伸強(qiáng)度-均勻延伸率均高于具有低合金含量
10、的合金，這進(jìn)一步證實(shí)了層錯(cuò)能對合金強(qiáng)度與塑性的重要作用，如圖4(b)所示。 以上研究結(jié)果不僅豐富了層錯(cuò)能對于超細(xì)晶金屬材料塑性變形機(jī)制、晶粒細(xì)化與強(qiáng)韌化機(jī)制影響的理解，同時(shí)也加深和拓展了對超細(xì)晶金屬材料組織與力學(xué)性能關(guān)系的理解，并對超細(xì)晶材料組織
