超声叠压与电阻焊组合晶粒细化工艺

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1、超声叠压与电阻焊组合晶粒细化工艺第1章绪论1.1课题研究背景及意义当今社会发展日新月异，随着科学进步，现代工业对材料的性能要求日益提高，如何获得高性能材料，已经成为材料学界研究的重要课题。金属材料晶粒尺寸在微米数量级时，其特性取决于晶粒的本征特性，而当材料晶粒降低到纳米数量级时，其材料性能的影响因素会发生变化。鉴于这个思想，上个世纪80年代中期，德国科学家H.Gleiter及其合提出了纳米晶体材料的概念[1]。此后纳米材料由于优良的力学、电学、化学等性能得到材料学家的广泛研究。目前学者们研究出了多种制备超细晶材料的方法，例如：惰性气体原位凝聚加压法、机械合金法、非晶晶

2、化法和剧烈塑性变形法等。从工艺上看，传统的方法虽然可以制备出超细晶材料，但是耗能大，工艺复杂。目前，国内外主要是利用剧烈塑性变形法来制备并研究超细晶材料，包括等径角挤压法（ECAP）、高压扭转法（HPT）、叠压法（ARB）等。超细晶铜由于细晶强化的作用具有良好的导热、导电和和优良的力学性能而受到国内外的广泛关注。目前超细晶铜在机械、航空航天、半导体、电器仪表、生物医学等部门的应用越来越广泛，因此超细晶铜的制备工艺以及性能的研究成为目前金属材料的主要研究热点之一。关于超细晶和纳米晶材料的划分方法，学者们通常认为纳米晶的晶粒尺寸范围为d<100nm，超细晶(Ultr

3、a-finegrains,UFG)的晶粒尺寸范围为100nm<d<1μm。........1.2制备超细晶/纳米晶材料的方法纳米技术被认为21世纪的关键技术。中国工程院院士路甬祥曾经指出纳米技术的发展可在最近的将来引发新的工业革命。目前用来制备纳米晶与超细晶材料的方法可以分为两类：自上而下（Bottom-up）合成法、自下而上（Top-do-up合成法指的是通过物理或者化学的方法合成具有纳米晶的粉体，而后通过烧结的方式制备出纳米晶块体材料，如惰性气体原位加压法[3]，电沉积法[4]、化学沉积法[5]等。惰性气体原位加压法是1984年由德国科学家Gle

4、iter教授提出制备块体纳米材料的工艺，该工艺整个过程在惰性气体高温真空反应室中，通过钨电阻加热器或者石墨加热器将欲蒸发的金属受热升华在液氮冷却棒上凝聚为纳米微粒，然后用刮板将这些纳米微粒导入模具中，在高真空下原位加压1～5GPa烧结成块[6]-[8]。电沉积法是金属或合金在通电过程中从其水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的一种方法。其原理是在通电过程中金属晶粒度随着脉冲电流密度增加而降低，限制晶粒长大，从而得到块体纳米材料[8][10]。Bottom-up合成法的缺点是在制备超细晶粉末时容易受到污染，而在烧结固化的工艺过程中，固化密度偏低会导致材料存在大量空隙，从而

5、影响材料的性能。Bottom-doation,SPD），是物体在施加压力的情况下，通过剧烈塑性变形使材料组织细化达到超细晶的目的。相比于以上几种制备超细晶的方法，剧烈塑性变形法无污染，组织致密，成本较低，具有优良的应用前景。剧烈塑性变形法研究发展大致分为三个阶段：（1）20世纪80年代为孕育阶段，该阶段主要是提出剧烈塑性变形法并开始初步研究。（2）20世纪90年代为平稳发展阶段，主要由瓦列耶夫等教授的推动作用，从而使这一领域受到国际材料学界的重视。（3）21世纪初期开始为高速发展阶段，这一时期，剧烈塑性变形法受到各国科学家的高度重视，研究队伍迅速扩大。近些年来，剧烈塑

6、性变形法由于得到学者们的广泛研究，从而开发出了不同工艺的剧烈塑性变形法如：等径角挤压法、高压扭转法、叠压法等。下面将会介绍几种常见的剧烈塑性变形法。........第2章实验方法与实验过程2.1实验部分2.1.1实验材料实验采用质量分数为99.9％的T2紫铜棒，通过车床和线切割机制成直径0.8mm、高1.2mm的小铜柱。表2.1为T2紫铜的化学成分含量，表2.2为其机械性能。除此之外辅助材料有：无水酒精、金相砂纸、九水合硝酸铁、抛光过程中的金刚石抛光剂，丙烯酸粉末和亚克里透明液体等。....2.2实验装置2.2.1超声波镦压装置超声波镦压装置采用深圳红日超声波设备有限

7、公司生产的超声波塑料焊接机，其型号为RS2126型，能够输出的最大功率为2600Pa增加到362MPa，而断裂延伸率则从原始态的60%减小到9.7%。............