位错组织和变形孪晶对单晶铜层裂损伤的影响

摘要

延性金属的层裂损伤一直是材料学、力学和物理学上的经典科学问题，具有重要的学术价值和理论意义。金属的层裂损伤通常存在于子弹穿甲、交通事故、鸟撞飞机事件以及航空航天事故等。工业上为了研发出能有效抵御动态损伤的材料，需要科研人员在实验室环境下模拟类似的撞击事件、以及对这类在冲击载荷下材料的变形机制以及损伤机制详加分析，试图通过从微观上调控材料的结构以获得动加载下高强度、高韧性的金属材料。冲击加载下，在金属受到层裂损伤前，先受到压缩脉冲和拉伸脉冲导致的动态变形，这些形变亚结构，如位错组织、变形孪晶对层裂损伤有着决定性的影响。然而这些形变亚结构一方面可能利于损伤的成核，另一方面又由于应变硬化而阻碍损伤的长大，不同形变亚结构对层裂损伤的综合影响还有待更深入探讨。本文主要研究在冲击载荷下，单晶铜中位错组织、变形孪晶的形成，以及这些形变亚结构对单晶铜层裂损伤的影响。　　单晶铜因其良好的延展性、导热性和导电性而广泛应用在各个领域中，本文用霍普金森杆(Split Hopkinson bar, SHPB)及动态等径角通道挤压(Dynamic equal channel angular pressing，D-ECAP)技术对单晶铜进行改性，回收样品用透射电子显微镜(Transmission electron microscopy，TEM)、电子背散射衍射技术(Electron backscatter diffraction，EBSD)进行表征，预期得到不同位错组织和孪晶组织的单晶铜样品，然后用包含这些不同形变亚结构的单晶铜样品在一级轻气炮进行层裂实验，用多普勒光纤探针测量系统测量得样品自由面速度历史曲线计算出Hugoniot弹性极限(动态屈服应力)和层裂强度(动态断裂应力)。运用TEM、EBSD、X射线断层成像(X-ray computed tomography，XCT)技术表征层裂实验的回收样品。本文结论如下：　　用分离式霍普金森杆加载单晶铜样品，发现随着压缩预应变的增加，单晶铜中的位错密度增加，位错组织依次为零散的位错、位错缠结、复杂的位错网状结构、稠密的位错墙和位错胞。在后续的层裂实验中，Hugoniot弹性极限随着预应变的增加而剧烈增加，然而层裂强度随着预应变的增加而几乎保持不变。这些说明稠密的位错胞组织造成单晶铜在冲击载荷下屈服应力的增加，而对损伤演化的综合影响较弱。在层裂实验回收样品的XCT表征发现层裂损伤包含椭球形孔洞和针状孔洞，并且椭球形孔洞与针状孔洞的数量之比随着压缩预应变的增加而降低。TEM和EBSD分析结果显示这些椭球形和针状孔洞的长轴平行于晶体学<110>方向，椭球形孔洞是在低位错密度区域成核与长大，受到位错缺陷和导致的应变硬化的影响较小。针状孔洞是在位错墙或者位错胞壁上成核，稠密的位错组织造成剧烈的应变硬化，导致孔洞在晶体中长大受阻，孔洞只能沿着位错墙长大，因而孔洞为沿着晶体学<110>被严重拉长。　　单晶铜中不同的孪晶组织用D-ECAP技术在不同的冲击速率下获得，孪晶的数量和位错密度随着冲击速率的增加而增加。不同孪晶组织和位错组织的单晶铜样品在材料试验机(Materials testing system，MTS)上做力学测试和在轻气炮上做层裂实验。力学测试结果显示，单晶铜的屈服强度和断裂强度随着孪晶密度和位错密度的增加而先升高后略有降低。在层裂实验中，D-ECAP造成位错组织或者应变硬化对孔洞有微弱的影响，层裂损伤容易沿着孪晶界成核与长大，造成孪晶组织单晶铜的层裂强度低于无预变形的单晶铜。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 引言

1.2 延性金属的层裂损伤研究现状

1.3 层裂损伤的微观演化过程及影响因素

1.3.1 孔洞的成核、长大和联合

1.3.2 层裂的影响因素

1.4 单晶铜的性质

1.5 选题研究内容

第2 章实验技术与方法

2.1 引言

2.2.1 实验原理

2.2.2 实验设计

2.3.1 一级轻气炮

2.3.2 动态等径通道挤压（D-ECAP）

2.3.3 分离式霍普金森压缩杆（SHPB）

2.4表征手段

2.4.1 计算机断层扫描成像技术（XCT）

2.4.2 电子背散射衍射技术（EBSD）

2.4.3 微型材料试验机（MTS）

2.5 本章小结

第3 章预应变下位错组织对层裂损伤的影响

3.1 引言

3.2 单晶铜在SHPB加载下的位错组织

3.2.1 SHPB压缩预变形

3.2.2不同压缩应变量下单晶铜的微结构

3.3 动态层裂损伤

3.3.1 自由面速度历史曲线的分析

3.3.2 不同位错组织对弹性极限和层裂强度的影响

3.4 冲击后的微结构和孔洞

3.5 孔洞的统计分析

3.5.1 孔洞的各向异性

3.5.2 孔洞的数量统计

3.5.3 孔洞的形状分析

3.6 分析与讨论

3.7 本章小结

第4 章变形孪晶对层裂损伤的影响

4.1 引言

4.2 单晶铜在D-ECAP 加载下的变形孪晶

4.2.1模具通道几何形状对变形孪晶的影响

4.2.2 加载速率对变形孪晶的影响

4.2.3 回收样品的力学性能测试

4.3.1孪晶数量对层裂损伤的影响

4.3.2孪晶尺寸对层裂损伤的影响

4.4 本章小结

第5 章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文