纯钼粉大塑性变形的细观模拟及微观亚结构演化的多尺度研究

摘要

金属钼材料在室温和高温具有较高的强度，同时具备良好的热电导率、优异的耐腐蚀和摩擦磨损性能，因而常用作航空航天组件、精密电子元件和高温设备等。作为一种典型的难变形金属，机械加工困难导致其常采用粉末冶金方法进行成形生产。相较于其高熔点（约2620±10℃），钼在较低的温度（约500℃）下开始氧化，且在725℃以上发生灾难性氧化，新型烧结工艺虽然可以有效避免钼粉氧化，但长时间的高温烧结不仅导致晶粒粗大，而且会引入其他杂质元素富集在晶界处，加剧了材料脆性。
　　研究表明，等径角挤压工艺（equal channel angular pressing，ECAP）和高压扭转工艺(high pressure torsion，HPT)作为大塑性变形(severe plastic deformation，SPD)工艺的典型代表，能够在较低温度下使粉末材料固结成形，通过多道次或连续扭转的剪切变形获得晶粒细小、组织均匀、致密度较高的块体细晶材料，目前已被广泛应用于制备铝、镁、铜、钛及其复合粉末的超细晶材料。本课题采用大塑性变形工艺，将纯钼粉末直接固结成超细晶材料，并提升其综合性能。
　　本文首先基于非连续介质理论，采用颗粒流模拟软件PFC-2D，对带包套的钼粉材料进行单道次ECAP变形模拟，从细观角度分析变形各阶段的颗粒流动和变形规律、接触力场和速度场分布、平均等效应力和应变率分布以及孔隙率和配位数变化。结果表明，颗粒始终处于高静水压力状态，压应力在通道转角的剪切变形区内达到最大，此时应变率变化也最剧烈，孔隙在高静水压力和剪切力的共同作用下发生变形并收缩闭合，最终致密度约为0.948±0.021。此外，从细观角度分析了钼粉的致密化过程:颗粒位移、重排打破搭桥孔隙，细小颗粒填充大尺寸孔隙;然后高静水压力迫使颗粒压缩变形，孔隙尺寸收缩;最后剪切力使颗粒和孔隙均沿剪切方向拉伸，在静水压力的作用下孔隙闭合。通过对试样中心颗粒簇的孔隙率和配位数的分析，认为静水压力对孔隙尺寸的收缩存在极限，剪切变形的引入能够有效的增加颗粒间接触，对致密度的提高起到至关重要的积极作用。
　　在400℃条件下完成了钼粉大塑性变形实验，包括A路径下1道次和2道次的ECAP变形实验，以及压力为3 GPa、扭转圈数为5圈和10圈的HPT变形实验，并对变形试样进行相对密度和显微硬度的测试。结果表明，应变量的增加可以有效提高变形试样的相对密度和显微硬度，10圈HPT变形得到近乎全致密、组织性能均匀的块体材料，其相对密度、显微硬度和均匀化系数分别约为0.99、522±7 Hv和0.13。钼粉颗粒在经历旋转、滑移、重排、破碎后，颗粒之间的接触关系由点接触发展为面接触，接触面积的增多、高静水压力和高应变储存能促进颗粒界面处的原子扩散速度和深度，最终颗粒之间的接触状态由机械咬合向扩散固结转变。
　　利用透射电镜和电子背散射技术对变形组织进行分析，结果表明，晶粒细化机制随着应变量的增大发生转变，小应变量时，位错胞细化机制占主导地位，连续动态再结晶细化为辅;随着应变量的增加，剪切变形导致的位错胞细化作用达到饱和，连续动态再结晶对组织继续细化，得到了由细小的狭长变形晶粒和等轴再结晶晶粒构成的超细晶组织，其平均晶粒尺寸约为0.21±0.14μm，亚微米晶粒的含量高达92.9％;10圈HPT变形后，变形组织完全被再结晶组织取代，高形变储存能、有利的变形温度和长变形时间，导致平均晶粒尺寸小幅增长至0.30±0.18μm。连续动态再结晶机制不仅能够有效细化晶粒尺寸，更有利于非平衡大角度晶界的形成，大应变条件下的变形组织内部取向差大于40°的晶界含量明显增多，大角度晶界比例高达76％。
　　大塑性变形过程中，材料内部出现“织构起伏”效应，其转变过程为{111}<112>和{111}<110>型剪切织构→{111}<110>型织构→{001}<110>型旋转立方织构和{101}<100>型高斯织构→无明显织构，这是由剪切变形的非均匀机制、滑移系的交替作用、剪切变形方向的改变、晶粒的旋转变形以及动态再结晶等共同导致的。
　　采用X射线衍射仪对变形组织的微晶尺寸和位错密度进行分析，并结合晶粒尺寸、晶界角度和织构特征等参数，建立了钼粉大塑性变形的强化模型。结果表明，随着等效应变量的积累，钼粉材料中的微晶尺寸由63.0 nm逐步细化至约34nm～36 nm，位错密度由初始粉末的0.85×1014 m-2显著提高至5.53×1014 m-2;在基于细晶强化模型和位错强化模型的基础上，引入亚晶和连续动态再结晶的尺寸和含量等修正参数，对已知强化模型进行修正，得到了拟合度较高的强化模型，揭示了位错行为、剪切变形亚结构、连续动态再结晶细化对钼粉材料强化的影响。
　　采用差示热量扫描分析仪对钼粉变形试样进行后再结晶行为分析，研究其组织稳定性，结果表明，大塑性变形产生的连续动态再结晶组织具有较好的热稳定性，连续静态再结晶机制导致再结晶温度并未因大应变量的引入而明显降低，且完全再结晶后的晶粒尺寸只发生有限长大，力学性能发生有限降低。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 金属钼及其合金材料的概况及应用

1．1．1 钼的性质和应用

1．1．2 钼的塑性变形特征

1．1．3 钼材料的加工现状

1．2 大塑性变形工艺

1．2．1 等径角挤压工艺

1．2．2 高压扭转工艺

1．2．3 非致密材料的大塑性变形研究现状

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容

1．4 本章小结

2 实验材料和研究方法

2．1 实验材料

2．1．1 纯钼粉末材料

2．1．2 包套材料

2．2 实验方案

2．3 钼粉试样预制备

2．3．1 ECAP试样预制备

2．3．2 HPT试样预制备

2．4．1 ECAP模具结构

2．4．2 HPT模具结构

2．4．3 实验参数

2．5 显微组织观察

2．5．1 金相组织观察

2．5．2 晶粒及亚结构分析

2．6 力学性能测试

2．6．1 显微硬度测试

2．6．2 压痕形貌观察

2．7 相对密度测试

2．8 组织热稳定性测试

2．9 本章小结

3 钼粉包套ECAP变形的离散元数值模拟及分析

3．1 离散单元法的基本原理

3．1．1 离散元基本思想

3．1．2 离散元基本方程

3．2 离散元建模和参数设置

3．2．1 几何模型建立

3．2．2 关键参数设置

3．3 ECAP变形过程分析

3．4 颗粒变形分析

3．5 致密行为分析

3．5．1 ECAP变形后试样相对密度的分布规律

3．5．2 ECAP过程中试样的相对密度与孔隙变形

3．5．3 配位数变化分析

3．6 平均等效应力和应变率分析

3．6．1 等效应力分析

3．6．2 应变率分析

3．7 本章小结

4 钼粉材料的ECAP变形机制及组织演化分析

4．1 钼粉ECAP变形后的显微组织

4．1．1 颗粒组织形貌分析

4．1．2 晶粒组织形貌分析

4．2 钼粉ECAP变形后的晶粒及亚结构演化

4．2．1 晶粒形貌和尺寸分布

4．2．2 晶粒取向和晶界角度演化

4．2．3 晶粒细化机制

4．2．4 变形组织的织构演化

4．3 钼粉ECAP变形后的力学性能分析

4．3．1 相对密度分析

4．3．2 显微硬度分析

4．4 本章小结

5 钼粉材料的HPT变形机制及组织演化分析

5．1 钼粉HPT变形后的晶粒及亚结构演化

5．1．1 晶粒形貌和尺寸分布

5．2．2 晶粒取向和晶界角度演化

5．2．3 变形组织的织构演化

5．2 钼粉HPT变形后的力学性能分析

5．2．1 相对密度分析

5．2．2 显微硬度分析

5．2．3 压痕形貌分析

5．3 本章小结

6 钼粉大塑性变形的强化机制分析及强化模型的建立与修正

6．1 XRD衍射峰宽化分析

6．1．1 仪器宽化校正

6．1．2 物理宽化分析

6．2 微晶尺寸和位错密度演化

6．3 钼粉大塑性变形的强化模型

6．3．1 位错强化

6．3．2 细晶强化

6．4 强化模型的预测与修正

6．5 本章小结

7 大塑性变形后钼粉的后再结晶行为分析

7．1 应变量对再结晶温度的影响

7．2 应变量对再结晶组织性能的影响

7．3 本章小结

8 全文总结与展望

8．1 本文主要结论

8．2 本文主要创新点

8．3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况