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纳米金属材料依据Hall-Perch关系具有很高的强度,然而很低的均匀拉伸伸长率(一般小于5%)是其结构应用的瓶颈。使纳米组织具有应变硬化能力、抑制其变形局部化,可提高均匀拉伸伸长率,这是材料科学和力学交叉学科领域共同涉及的核心科学问题。双相纳米金属组织中,两相具有不同的微观变形特性、导致微观塑性协调,研究并揭示双相纳米组织的塑性行为、应变硬化及其微结构机制,可获得理想的综合力学性能,具有重要的科学意义与实际应用价值。选取铁索体/奥氏体双相不锈钢(UNS32304)作为模型材料,利用不同的强烈塑性变形技术,如表面机械研磨处理(SMAT)、等通道转角挤压(ECAP)、以及动态塑性变形(DPD)等,制备具有不同微结构特征的双相纳米组织,系统研究并阐明了不同微观组织的力学性能与应变硬化机理,主要研究结果如下:
1.利用SMAT技术,在样品(厚度1.5mm)表面形成具有晶粒尺度呈梯度分布的双相纳米组织表层(占样品总厚度25%),准静态拉伸测试表明,相比粗晶双相组织,屈服强度提高了1.6倍,均匀拉伸伸长率从25%降至15%。扫描电子显微镜原位拉伸测试与分析表明,铁素体的微观塑性应变(伸长量与初始长度之)高于奥氏体,其差值随应变增加而增大,颈缩时达到20%:同时,梯度表层的纳米组织在15%均匀应变范围内无裂纹产生。进而,进行循环应力松弛实验、并结合经典位错理论分析,表明梯度双相组织的应变硬化机理为:梯度表层的纳米组织在拉伸变形时,可动位错不断形成并增殖,产生应变硬化,从而抑制了梯度表层中纳米组织的局部化变形行为,提高了均匀拉伸伸长率。
2.利用ECAP技术制备了双相纳米组织的块体样品(φ10×55mm),透射电子显微镜观察结果表明,铁素体中不断形成位错界面,分割原始晶粒、并导致晶粒细化;奥氏体中变形孪晶相互交割,且在孪晶界之间形成位错界面,二者共同分割原始晶粒,导致晶粒细化。ECAP等效应变为4时,铁素体与奥氏体晶粒的平均尺寸分别为130nm与79nm。准静态拉伸实验表明,变形态双相纳米组织的屈服强度从粗晶的403Mpa提高至1460Mpa,但均匀拉伸伸长率仅2%。在700℃退火20min后(铁素体与奥氏体平均晶粒尺寸分别为235nm与108nm),均匀拉伸伸长率提高至7%,屈服强度为1100Mpa.。通过修正的Crusard-Jaoul模型分析其应变硬化率随应变的响应,表明退火后拉伸伸长率的提高,与位错密度的降低和纳米双相之间的交互作用有关。
3.利用DPD技术制备双相纳米组织块体样品(φ20×3mm),与ECAP组织的显著区别在于,奥氏体中形成了高密度的变形孪晶。DPD等效应变为1.5时,奥氏体中变形孪晶片层的平均间距为86nm,铁素体中层状位错界面的平均间距为508nm。单轴准静态拉伸实验表明,变形态双相纳米组织的屈服强度为1156Mpa,但均匀拉伸伸长率仅1.9%。在650℃退火30min后,均匀拉伸伸长率提高至5.2%,同时屈服强度提高至1224Mpa。相比于变形态双相组织,退火导致屈服强度与均匀拉伸伸长率同时提高。分析表明,屈服强度的提高与退火导致位错源减少有关;均匀拉伸伸长率的提高与低密度位错、高密度孪晶界面、以及两相之间的交互作用有关。
4.利用热机械方法(热处理+ECAP)制备了双相组织块体样品(φ10×55mm),奥氏体颗粒弥散分布在铁素体基体上,颗粒尺寸在500nm-5μm之间。准静态拉伸实验表明,当奥氏体体积分数保持不变,但颗粒平均尺寸降至lμm时,屈服强度从粗晶的403Mpa提高至574Mpa,抗拉强度从671Mpa提高至842Mpa,同时均匀拉伸伸长率从25.3%提高至31.2%,表明降低奥氏体颗粒尺寸,不仅可以有效阻碍位错滑移从而提高强度,同时可以促进两相之间的交互作用,提高应变硬化能力与均匀拉伸伸长率。