应力幅和温度对超细晶铜的疲劳与损伤行为的影响

论文摘要

通过严重塑性变形（SPD）工艺,尤其是等通道转角挤压（ECAP）技术制备的超细晶材料因其具有各种独特的力学行为近年来越来越引起众多研究者的兴趣,但是对此类材料的高、低周疲劳变形机制,尤其是在高温环境下的疲劳变形行为的认识还很不全面,而这些研究对超细晶材料的开发和应用具有极其重要的实际意义。本论文选取了ECAP技术制备的超细晶铜作为研究对象,研究了应力幅和温度对这种超细晶铜循环变形响应行为、表面变形及损伤特征以及相应的微观结构变化的影响。在恒定温度25℃下,应力幅选取了100MPa-200 MPa,以确保疲劳测试分别在低周疲劳区和高周疲劳区进行；而在恒定应力幅为200 MPa下,根据其再结晶温度的高低（215℃）选定测试温度范围为25℃-300℃,以考察其在再结晶温度附近的循环不稳定性。研究发现,超细晶铜的疲劳和损伤行为强烈地依赖于外加应力幅和环境温度的高低。在不同应力幅和不同度温度下其疲劳和损伤行为表现出明显不同的特点,具体表现如下：在不同应力幅下（即：高周疲劳区、低周疲劳区和介于高低周疲劳区之间）均发生了循环软化现象,而且随着应力幅的增加循环软化发生得更显著。在这三个区进行循环变形,由于总应变幅中的塑性分量对疲劳变形贡献大小的不同,导致了如下显著区别：在高周疲劳区,表面上形成很多短的单个的剪切带,裂纹沿着这些单个剪切带形成,材料最后以解理脆性的模式发生断裂。相应的微观结构变化主要表现为晶粒宽化,在宽化的晶粒内除了形成一些单个的位错线和位错缠结外没有其它典型的位错组态；在介于高、低周疲劳区之间,表面上局部形成高密度的剪切带群,微裂纹在剪切带群中形成,断裂表面的解理台阶处出现了一些微小的韧窝,呈现出微塑性。更加显著的晶粒宽化发生,在某些宽化的晶粒内出现了一些位错组态,如松散的位错墙和疏松的胞结构等；在低周疲劳区,整个试样表面布满大尺度高密度的剪切带,裂纹或孔洞沿着大尺度剪切带形成,断口为韧窝和解理面共存的混合型断口。在宽化的晶粒内可以清晰地看到各种位错结构,如位错墙、位错胞和类似PSB楼梯状的位错墙结构。在25℃-300℃的各个温度下,材料都发生了循环软化现象,并且这种现象随温度的升高发生得更早更显著,疲劳寿命随着温度的升高呈指数衰减。表面变形特征在室温下以大尺度剪切带为主要特征；随着温度的升高,晶粒宽化更趋严重,晶界的数量和体积分数大大减少,从而显著地降低了发生大尺度剪切带的可能性,剪切带也因此变得细且不连续；当温度高于其再结晶温度时,剪切带几乎完全消失,晶粒内的位错滑移成为材料的主要变形方式。在低于再结晶温度时,裂纹沿剪切带萌生；而在高于再结晶温度下,裂纹在宽化的晶粒内沿滑移带或者沿晶界萌生。材料断口表面随温度升高呈现出逐渐增强的塑性,即：从室温的混合型（韧窝+解理）断口逐渐变化到300℃下的纯韧窝型断口。随着温度的升高,宽化的晶粒内的微观结构由位错墙逐渐演变为发展完好的胞结构。在相对较高温度下（>150℃）超细晶铜疲劳试样的微观结构中有一定数量的退火孪晶存在,而且随着温度的升高孪晶数量有所增加。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 材料的强化方法简介
• 1.2.2 等通道转角挤压工艺介绍
• 1.2.3 超细晶材料的研究现状
• 1.2.4 超细晶铜的微观组织结构
• 1.2.5 超细晶铜的力学性能的研究现状
• 1.3 本论文的研究思路、内容与意义
• 第2章 实验方法
• 2.1 样品制备
• 2.2 再结晶温度的测量
• 2.3 疲劳试验
• 2.3.1 室温不同应力幅下的疲劳
• 2.3.2 同一应力幅不同温度下的疲劳
• 2.4 表面观察
• 2.5 断口表面
• 2.6 微观结构的观察
• 第3章 超细晶铜在室温环境下的高周和低周疲劳行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验结果和讨论
• 3.2.1 制备态的微观结构
• 3.2.2 循环变形响应曲线
• 3.2.3 表面变形特征
• 3.2.4 断口特征分析
• 3.2.5 微观结构变化
• 3.3 本章小结
• 第4章 超细晶铜在高温环境下的疲劳行为
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果和讨论
• 4.2.1 超细晶铜的再结晶温度
• 4.2.2 循环变形响应行为
• 4.2.3 表面变形特征
• 4.2.4 断口形貌特征
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文