纯铜塑性行为的晶粒尺寸与应变速率效应研究

摘要

强度和塑性是结构材料最基本的力学性能。等径角变形等剧烈塑性变形方法通过细化材料内部的晶粒组织，大幅提高了其强度。另一方面，改变材料变形的外在条件对材料的力学行为也会产生影响显著，例如高应变速率变形下，材料的流变应力会明显提高。 多晶材料塑性变形时表面会产生粗糙起伏的“桔皮效应”。迄今的研究已经清楚了在常规应变速率条件下晶粒尺寸细至18μm的金属材料的“桔皮效应”产生规律。然而，当晶粒尺寸细化至超细晶/纳米晶尺度时、以及在高应变速率条件下，“桔皮效应”是否依然存在？是否还遵循粗晶时及常规应变速率时的规律？这些问题的答案对于在超细晶/纳米晶的范畴发展“桔皮效应”相关的塑性理论、以及这类新材料的塑性成形和应用具有重要的作用。 另一方面，塑性变形中流变应力的应变速率敏感性指数（Strain rate Sensitivity,简称SRS）是表征材料塑性行为的重要参数。业已表明fcc金属的SRS会随着晶粒尺寸的减小而显著升高。这一现象可以用热激活主导的位错滑移模型很好地解释。然而，当应变速率升高到＞～103s-1时，塑性变形的主导机制逐渐由热激活机制转变为位错阻尼机制。在这种新的位错阻尼机制主导下，SRS与晶粒尺寸的关系是延续低应变速率下的关系呢，还是有新的表现？非常值得期待。特别是，SRS对高应变速率下的塑性变形作用更为重要。 围绕上述问题，本文以fcc无氧纯铜为例，通过对超细晶纯铜进行退火热处理制备出不同晶粒尺寸的试样，通过准静态和动态拉伸试验，研究不同应变速率条件下“桔皮效应”和SRS的晶粒尺寸效应。研究得到如下主要创新性结论: 1.与低应变速率下晶粒细化导致SRS增大的规律截然相反，本研究发现在高应变速率下，纯铜SRS随晶粒尺寸增大而显著增高。SRS具有明显的应变速率效应，尤其在高应变速率下，SRS会显著增高。这也是导致高、低应变速率下，SRS随晶粒尺寸变化规律呈现相反趋势的直接原因。 2.SRS与晶粒尺寸关系随着应变速率增高而发生反转的原因是:低应变速率下的热激活主导机制转变为高应变速率下的位错阻尼主导机制。基于局部取向差分析的显微组织观察间接证实了这一塑性变形机制的转变，而且随着晶粒尺寸增大位错阻尼机制的作用逐渐增强。根据本文建立的本构模型，SRS由热激活分量和位错阻尼分量两部分组成。在热激活机制主导下，SRS热激活分量与应变速率无关且随着晶粒尺寸的降低而增高，但其值总体较小;而在位错阻尼机制主导下，SRS位错阻尼分量随应变速率快速增大，远超过SRS的热激活分量，并且该分量随晶粒尺寸增加而显著升高。二者共同作用，造成了SRS的晶粒尺寸效应随着应变速率的增高发生反转。 3.在细至～0.5μm的晶粒尺寸范围内，变形纯铜表面“桔皮”结构的自仿射分形维数相同，自仿射相关长度与晶粒尺寸成正比。“桔皮效应”的本质是，不同晶粒之间不同的塑性变形特征，导致晶粒间出现空间位置上的交错起伏。细化晶粒不仅降低表面粗糙度Ra，还会降低表面粗糙度增长速率。“桔皮效应”表现出明显的应变速率相关性，高应变速率下生产的表面粗糙度明显大于低应变速率下的表面粗糙度。反映出晶粒之间不同的塑性变形特征会随应变速率增大而加剧。 4.在高应变速率变形下，纯铜的流变应力与晶粒尺寸依然符合Hall-Petch关系。其斜率K与应变速率的对数成正比。同时高应变速率下的拉伸变形均匀延伸率也随晶粒尺寸的增大而逐渐增高。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1引言

1．2晶粒尺寸对塑性变形机制的影响

1．2．1位错塞积

1．2．2晶界滑移

1．2．3晶粒转动与合并

1．2．4剪切带

1．2．5孪生

1．3应变速率对塑性变形位错响应机制的影响

1．3．1热激活位错运动

1．3．2位错阻尼机理

1．3．3位错运动的相对论效应

1．4塑性变形中“桔皮效应”

1．4．2“桔皮效应”的影响因素

1．5应变速率敏感性指数

1．5．1影响SRS的因素

1．5．2不同晶体结构中SRS与晶粒尺寸的关系：fcc vs bcc

1．6课题的提出与研究内容

2研究方案与实验方法

2．1课题研究基本思路

2．1．1超细晶铜板再结晶行为研究

2．1．2塑性变形纯铜表面“桔皮”研究

2．1．3塑性变形纯铜力学行为研究

2．2实验材料

2．3纯铜试样的制备

2．3．1等径角变形

2．3．2轧制

2．3．3退火热处理

2．4塑性变形试验方法

2．4．1准静态拉伸变形

2．4．2动态拉伸变形

2．5显微组织分析

2．5．1光学显微组织观察

2．5．2扫描电子显微形貌分析

2．5．3电子背散射衍射分析

2．6表面性能分析

2．6．1显微硬度测试

2．6．2表面粗糙度测试

3超细晶纯铜板材再结晶过程中的组织和织构演化

3．1变形态纯铜的初始组织和织构

3．2变形态纯铜再结晶过程中的组织演化

3．3变形态纯铜再结晶过程中的织构演化

3．4初始变形组织对织构演变的影响

3．5本章小结

4塑性变形纯铜表面“桔皮”的晶粒尺寸与应变速率效应

4．1拉伸变形下的表面粗糙度分析

4．1．1各晶粒尺寸试样的组织观察

4．1．2动态拉伸变形纯铜的应变分布

4．1．3表面粗糙度的晶粒尺寸与应变速率效应

4．2“桔皮效应”的自仿射行为研究

4．2．1高度—高度(对)相关函数法则测量分形维数

4．2．2晶粒尺寸和应变速率对自仿射分形维数的影响

4．3晶粒尺寸与应变速率对“桔皮”形貌的影响

4．4本章小结

5高／低应变速率下纯铜SRS的晶粒尺寸效应

5．1塑性变形纯铜的力学行为

5．1．1低应变速率下纯铜的力学行为

5．1．2高应变速率下纯铜的力学行为

5．2 SRS的物理模型

5．2．1流变应力与应变速率的本构关系

5．2．2 SRS的物理方程

5．2．3模型的分析与预测

5．3高应变速率下位错阻尼机制对SRS晶粒尺寸效应的影响

5．4本章小结

6结论与创新点

致谢

参考文献

附录