搅拌摩擦加工超细晶及纳米结构Cu-Al合金的微观组织和力学性能研究

通过强制冷却的搅拌摩擦加工(FSP)技术在Cu-Al合金中得到了超细晶和纳米结构的微观组织,利用电子背散射衍射、透射电子显微镜等技术研究了层错能对FSP Cu-Al合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,FSP Cu-Al合金为均匀、等轴的再结晶组织,随着层错能的减小,晶粒尺寸不断降低,而且在低层错能的FSP Cu-Al合金中,超细晶粒内部生成了丰富的纳米孪晶片层组织,进一步细化了微观组织.由于微观组织的逐步细化,FSP Cu-Al合金的强度随层错能的降低逐步提高,而均匀延伸率呈现出先增加后减小的趋势.     

等通道转角挤压过程中fcc金属的微观结构演化与力学性能

系统总结了面心立方(fcc)金属材料在等通道转角挤压(ECAP)变形后的晶粒细化、微观结构演化规律和力学性能.根据ECAP变形的特点,利用具有特殊取向的Al单晶体和Cu双晶体,经过一道次ECAP挤压发现:材料在ECAP模具对角面附近发生严重塑性变形;除了沿模具对角面切应力的作用外,沿垂直于模具对角面的切应力也起重要作用.此外,通过设计特殊取向的Cu单晶体、Al单晶体和粗晶Cu-3%Si合金经过一道次ECAP挤压,系统研究了层错能、晶粒尺寸和晶体学取向对fcc金属形变孪生所需的孪生应力的影响.对具有不同层错能的Cu-Al合金进行多道次ECAP挤压表明,随着层错能降低,Cu-Al合金的晶粒细化机制逐步从位错分割机制转变为孪生碎化机制,最小晶粒尺寸逐步减小,具有较高或较低层错能材料比中等层错能材料更容易获得均匀的微观组织;Cu-Al合金的拉伸强度和均匀延伸率随着层错能的降低同步提高,即随着层错能的降低,Cu-Al合金的强度-塑性匹配性提高.     

集成电路用纳米晶Cu-Al合金的制备及其结构、性能分析

采用大塑性变形法(SPD)制备出了集成电路用纳米晶材料,同时利用透射电子显微镜(TEM)及电子万能试验机对不同SPD方法生产的Cu-Al合金进行微结构分析及拉伸性能试验。结果表明:层错能是影响纳米晶Cu-Al合金微观结构与拉伸性能的关键性因素,纳米晶Cu-Al合金的微观结构形成机制,平均晶粒尺寸以及强塑性匹配程度均随着层错能的降低而发生改变。     

层错能对面心立方金属形变机制与力学性能的影响

层错能在面心立方(fcc)金属塑性变形和损伤过程中具有重要作用，本文主要总结了以下研究结果：(1)随层错能降低，fcc金属滑移方式逐渐从易于交滑移的波状滑移方式转变为平面滑移方式，直至发生变形孪生；(2)为了理解不同位错密度fcc金属中层错能的变化趋势，采用有效层错能的概念，随位错密度增加，有效层错能也随之升高；(3)层错能降低不是决定fcc金属形变孪生发生的唯一因素，通过第一原理计算模拟滑移和孪生之间的竞争关系，建立了fcc金属形变孪生临界判据；(4)通过对高层错能、中等层错能以及低层错能fcc金属疲劳位错组态的实验观察和分析，总结了fcc金属中形成规则驻留滑移带的判定条件；(5)随Al含量增加，Cu-Al合金层错能降低导致平面滑移程度增加，其拉伸强度和均匀延伸率呈现同步提高趋势；(6)采用指数应变硬化模型可精确描述Cu-Al合金拉伸加工硬化过程，进而预测了不同合金成分和微观组织状态Cu-Al合金屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率之间的定量关系；(7)随Al含量增加，Cu-Al合金疲劳强度升高；在相同应变幅下，随Al含量增加，其低周疲劳寿命也升高。表明合金成分明显影响fcc金属形变损伤机...     

层错能对电沉积纳米晶Ni-Fe合金显微组织与力学性能的影响

采用脉冲电沉积方法,通过改变Fe含量获得不同层错能的纳米晶Ni-Fe合金。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)与拉伸试验研究纳米晶Ni-Fe合金的显微组织和力学性能。结果表明:制备的Ni-Fe合金均为面心立方结构的单相固溶体,平均晶粒尺寸为12~25 nm,且平均晶粒尺寸随层错能的减小而减小。纳米晶Ni-Fe合金抗拉强度为1361~1978 MPa,断裂伸长率为9.3%~13.2%,纳米晶Ni-Fe合金的抗拉强度和断裂伸长率均随层错能的减小而增加。合金抗拉强度的增加是细晶强化作用的结果。随着Ni-Fe合金层错能的降低,加工硬化率提高,塑性失稳被推迟,从而获得较高的塑性。     

基于热力学函数的纳米晶粒长大Cellular Automaton仿真研究

基于纳米晶热力学特性表征函数,将纳米晶热力学性质对晶界迁移的影响引入Cellular Automaton算法,对纳米晶粒长大行为进行了定量化和可视化的仿真研究.模拟结果表明,纳米晶粒长大的动力学与传统粗晶材料不同,在恒温条件下,纳米晶粒的长大指数n不是常数(传统粗晶材料的晶粒长大指数n=2为常数),随纳米晶粒长大过程的进行,n值从1.70至6.59发生变化.作为纳米晶粒长大的驱动力,纳米晶界的过剩自由能与纳米晶粒尺寸的变化直接相关.由于纳米晶材料强烈的小尺寸效应,纳米晶组织的热力学性质较大地影响纳米晶界的结构和能量状态,从而影响纳米晶粒长大的动力学特征.因此,只有结合纳米晶热力学特性的仿真研究才能获得对纳米晶粒长大行为本质性的认识.     

变形过程中纳米金属镍的微结构演变

利用透射电镜对冷轧变形所致纳米结构金属镍的微结构组织演变特征进行了研究.结果表明,经过轧制变形后,纳米晶的平均晶粒尺寸为50～70 mm,有少量位错结构,但没有发现位错堆积缠结;在晶界处及附近有台阶界面结构,以及与台阶形状相对应的应力场衬度.在变形后期,可以靠晶界发射不全位错从而促使层错生成,并依赖层错尺寸长大(即层错界面位错)的运动进行.而当层错尺寸长大时,其前沿局部变形应力逐渐变大,直至该应力大到一定值时,位错停止运动,层错尺寸也不再长大,并留下了台阶结构.     

GH4169合金非均匀组织在加热过程中的演化机理

通过对第二相状态、晶界取向差及晶粒尺寸演化的分析,研究了GH4169合金不均匀组织在加热过程中的演化机理.结果表明,GH4169合金中d相的体积分数在低温下随温度的升高和时间的延长而增加;在高温时随温度的升高而降低,随时间的延长先增加后降低至恒定值.第二相的钉扎作用表现为:晶内析出的d相和g"相阻碍位错的运动,沿晶界析出的d相阻碍再结晶晶粒的形核和长大,碳化物阻碍晶粒长大.小角度晶界的体积分数随加热温度的升高和时间的延长而降低;高温下,退火孪晶的生长使得小角度晶界含量增加.GH4169合金的组织演化机理主要包括:亚晶长大、再结晶晶粒的长大和退火孪晶的长大.新的再结晶晶粒主要通过亚晶长大过程获得,亚晶长大过程主要通过小角度晶界的转动和位错的迁移完成.晶粒长大过程受到抑制时,合金通过退火孪晶的形核及长大耗散其吸收的热量.     

高压扭转纳米结构Al-Mg铝合金的微观结构演变和位错组态

利用透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）研究高压扭转大塑性变形纳米结构Al-Mg合金的微观结构演变和位错组态。结果表明：对尺寸小于100 nm的晶粒,晶内无位错,其晶界清晰平直;而尺寸大于200 nm的大晶粒通常由几个亚晶或位错胞结构组成,其局部位错密度高达10^17 m^-2。这些位错是1/2〈110〉型60°位错,且往往以位错偶和位错环的形式出现。在高压扭转Al-Mg合金的超细晶晶粒中,用HRTEM同时观察到分别由0°纯螺型位错和60°混合位错分解产生的Shockley部分位错而形成的微孪晶和层错。这些直接证据证实,通常存在于FCC纳米晶中由晶界发射部分位错而产生孪晶和层错的变形机制,同样可以存在于超细晶FCC金属中。基于实验结果,分析了高压扭转Al-Mg合金中的局部高密度位错、位错胞、非平衡晶界、层错和孪晶等对晶粒细化的作用,提出了相应的晶粒细化机制。     

剧烈塑性变形对块体纳米金属材料结构和力学性能的影响

综述了剧烈塑性变形引起的块体纳米金属材料的结构和力学性能演变.以电化学沉积法制备的fcc结构纳米晶Ni-20%Fe(质量分数)合金为研究对象,通过对其进行不同应变量的高压扭转实验,系统分析了变形引起的结构和力学性能演变.结构表征结果表明:(1)变形引发纳米晶Ni-Fe合金晶粒旋转,实现晶粒长大.同时,晶粒长大过程伴随着位错密度、孪晶密度的演变;(2)存在一个最有利于变形孪晶生成的晶粒尺寸范围(45~100 nm),在这个晶粒尺寸范围之外,去孪晶起主导作用使原有的生长孪晶或变形孪晶消失;(3)位错密度是影响位错与孪晶反应的新的影响因素.当发生孪晶的晶粒内位错密度低时,位错可完全穿过孪晶界,部分穿过孪晶界,或被孪晶界吸收;发生孪晶的晶粒内位错密度高时,大量位错缠绕并堆积在孪晶界附近,形成应力集中,破坏孪晶界原有的共格性.为释放局部应力,将从孪晶界的另一侧发射不全位错形成层错和二次孪晶;(4)在塑性变形导致的晶粒长大过程中,原先偏聚于消失了的晶界上的C和S沿残留晶界扩散并继续偏聚于晶界上.结构与力学性能关系结果表明:随着应变量的增加,应变强化、应变软化交替出现.位错密度对硬度的演变起主导作用,其它结构演变(如孪晶密度的变化和晶粒尺寸变化)对硬度的演变起次要作用.     

电沉积纳米晶Ni-Co-Fe合金镀层的热稳定性

用脉冲电沉积方法制备表面平整光亮的纳米晶Ni-Co-Fe合金镀层.采用XRD、TEM、EDS、DSC和显微硬度计分别研究纳米晶Ni-Co-Fe合金镀层的微观结构、化学成分、热稳定性及其硬度.结果表明:纳米晶Ni-Co-Fe合金镀层的晶体结构为单相的面心立方结构,其晶粒尺寸随镀层Co含量的增加而减小;合金镀层的显微硬度随退火温度的升高而提高,在300～375℃时达最大值,存在明显的退火再强化,之后,随着退火温度的继续升高明显下降;当镀层在低于375℃退火时,晶粒长大速度较慢;而当镀层在高于450℃退火时,晶粒迅速长大,并呈现较强的(111)织构.升温速率为20℃/min时,纳米晶Ni-Co-Fe合金镀层的DSC结果显示,晶粒长大的峰值温度随镀层Co含量的增加而升高.由Kissinger方程求得纳米晶Ni-Co-Fe合金的晶粒长大激活能随镀层Co含量的增加而增大.     

低温ECAP挤压Cu-Zn合金微观组织与力学性能研究

采用金相显微镜、透射电镜、X射线衍射及拉伸测试方法,研究了低温等通道(ECAP-LT)变形Cu-Zn合金微观组织与力学性能的变化规律。结果表明:Cu-Zn合金经低温ECAP挤压后,形成了纳米孪晶。随着层错能的降低,平均晶粒尺寸逐渐减小(~200 nm),纳米孪晶密度增大;显微硬度、屈服强度和抗拉强度逐渐提高,均匀伸长率呈现增大趋势。屈服强度与晶粒尺寸的关系符合典型的Hall-Petch方程。     

金属纳米晶粉体材料中的不连续晶粒长大

采用高能球磨法制备了Co纳米晶粉体,平均晶粒尺寸为(17±3)nm.设计了一系列宽温度范围的退火实验,考察纯Co纳米晶粉体的晶粒长大行为.实验发现,低温区和高温区的晶粒长大动力学有明显差异,而在中温区出现不连续晶粒长大特征.高分辨透射电镜观测表明:在低温区,纳米晶中存在较大比例的小角度纳米晶界,而在高温区则基本为典型的大角度晶界.结合纳米晶热力学计算和DSC分析,认为纳米晶粒在中温区的突发迅速长大是由残余储存能作为附加驱动力激发的动力学过程,其主导机制是通过相邻小角度位向差的纳米晶粒的转动而实现晶粒快速粗化.     

细晶粒钛合金热影响区晶粒长大规律

细晶粒钛合金经历焊接热循环后,热影响区粗晶区晶粒具有严重的长大倾向。针对TIG焊接过程,研究了显微组织为等轴状结构的细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒长大规律,分析了晶粒粗化对粗晶区组织转变和接头硬度的影响。结果表明,母材晶粒细化引起的冷却过程中卢相变点变化,导致细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒与普通Ti-6Al-4V合金相比具有更小的长大倾向;马氏体形核率的降低导致细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区a’马氏体束在生长过程具有更强的位相性,晶界片状马氏体片层厚度和晶内马氏体板条长度随粗晶区晶粒尺寸增加明显增大;与普通Ti-6Al-4V合金相比,细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒长大未引起软化问题。     

变形量对AZ91镁合金SIMA半固态组织形成的影响

研究了形变量、形变组织对AZ91镁合金半固态组织形成的影响.结果表明,形变镁合金由分布于变形条纹间的细小αMg再结晶等轴晶及极少量Mg17Al12颗粒组成.随变形量的增加,晶界增多,晶粒更加细小,晶内位错密度增大,形变合金的畸变储备能增大.在半固态加热及等温过程中,首先在高畸变晶界发生共晶体液化.大形变合金晶界畸变能高,发生液化时间早,而且与小形变合金相比,其半固态晶粒更加细小,形态圆整,组织更为均匀.565℃等温5 min后,发生半固态晶粒的逐渐长大.随等温时间延长,挤压比对晶粒尺寸的影响减弱.     

脉冲电沉积纳米晶Ni-Co-Fe-P合金镀层的热稳定性

用脉冲电沉积方法制备了纳米晶Ni-Co-Fe-P合金镀层.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、能谱分析(EDS)、差示扫描量热法(DSC)以及显微硬度计等测试方法研究合金镀层的微观结构、显微硬度和热稳定性.结果表明,纳米晶Ni-40.41%Co-6.16%Fe-1.63%P合金镀层的晶体结构为单一面心立方结构,其平均晶粒尺寸仅为8.8 nm,并具有(111)织构.该镀层的显微硬度随着退火温度的升高而上升,在300和450℃之间达到最大值,之后随退火温度的继续提高而逐步降低.在450℃退火后,晶粒长大到35.1 nm;600℃退火后,晶粒长大到160.8 nm,达亚微米级.在晶粒长大过程中伴有结构的转变,镀层由(111)织构向(200)织构转变.在升温速率为20 K/min的DSC曲线中,该镀层在474.4℃开始放热,并出现明显的放热峰,峰值温度为499.1℃,放热焓为9.086 J/g;通过Kissinger方程式求出该镀层晶粒长大的激活能为369.3 kJ/mol,具有很好的热稳定性.     

单相纳米晶Nd12.3Fe79.2Nb2.5B6合金的交换耦合作用与显微组织

采用熔体快淬及晶化退火工艺制备了含铌单相纳米晶Nd12.3Fe79.2Nb2.5B6合金,研究添加Nb对单相Nd2Fe14B纳米晶合金的磁性能、交换耦合和微观结构的影响规律.结果表明:Nb的添加提高了合金的非晶热稳定性,使得合金最佳晶化温度升高;合金晶化退火后,Nb可使晶粒尺寸分布均匀,并得到单一Nd2Fe14B相;晶粒边界比较完整,存在共格、半共格或大角度晶界,但没有观察到晶界相.上述结构可有效提高合金的磁性能,增强交换耦合作用.通过对Nd12.3Fe79.2Nb2.5B6合金磁性能分析可知:650 ℃晶化退火10 min后的合金性能最佳,交换耦合作用最强.     

球磨法制备Fe-1％C纳米晶及其热稳定性

微观应变的存在,获得的Fe-C纳米晶具有自发长大趋势.采用差热分析(DSC)手段研究不同等温条件下Fe-C纳米晶的热稳定性,结合晶粒长大热力学和动力学理论,求得晶界扩散激活能及稳定晶粒尺寸等参数,并分析讨论Fe-C纳米晶的晶粒稳定机制.     

纳米多晶Ni微观结构与力学性能的分子动力学模拟

运用分子动力学技术,结合分析型嵌入原子方法(AEAM)模拟计算了平均晶粒尺寸为2.09～5.23 nm的纳米多晶Ni的微观结构和力学性能.从原子能量分布、径向分布函数(RDF)、局域晶序结构的角度分析了纳米多晶Ni的晶界和晶粒结构,发现晶界部分所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高,结构与普通微晶的相似,纳米晶体的结合能较普通晶体的低.单向拉伸模拟结果表明:纳米多晶Ni的强度与晶粒尺寸之间出现反常Hall-Petch关系;弹性模量的降低与纳米尺度结构特征相关.     

金属纳米晶热稳定性和晶粒长大行为的研究

推导出了金属纳米晶界的基本热力学函数,模拟计算了金属纳米晶界的吉布斯自由能随晶界过剩体积和温度的变化规律。以铜纳米晶材料为例,应用纳米晶热力学模型预测了纳米晶组织的热稳定性及纳米晶粒长大行为。将纳米晶界的热力学函数引入元胞自动机仿真算法,利用计算机模拟研究了金属纳米晶的变温晶粒长大过程。实验证实铜纳米晶粒长大的动力学特征符合纳米晶热力学模型的计算预测结果。