纯铜表面纳米化及其扩散性能研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文纯铜表面纳米化及其扩散性能研究摘要纳米材料由于具有独特的微观结构和优异的性能而备受关注。近年来表面机械研磨处理(SMAT)方法作为制备纳米晶块体材料的一种方式受到了广泛重视，这是因为由SMAT制备出的纳米结构表层无污染、无孔隙，避免了纳米层与基体的结合界面。材料的纳米化过程是在高的应变速率下通过强烈塑性变形来实现的。本文利用SMAT方法在纯铜表面获得了一定厚度的纳米结构表层，采用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、和显微硬度测试仪对SMAT后样品的微观组织结构和性能进行了表征；采用电镀技术对纯铜样品表面进行了电镀镍处理，采用扫

2、描电子显微镜(SEM)分析了镍原子在纳米晶铜中的扩散行为；并运用离子注入技术对SMAT前后的纯铜分别进行了钛离子的注入，利用俄歇电子能谱仪(AES)分析了离子注入后钛的浓度随深度的变化情况。主要研究结果如下：1．纯铜经过表面机械研磨处理后表层形成了等轴、随机取向的纳米晶粒平均晶粒尺寸约为10nm。SMAT纯铜的处理时间以30min为佳。SMAT样品表面组织不会随着处理时间的延长而持续细化。太原理工大学硕士研究生学位论文2．SMAT引起的强烈塑性变形在样品表面随机发生，并且随着深度的增加强烈塑性变形量逐渐地减小，从而使得样品的晶粒尺寸也呈现随距离样品表面深度的增大而逐渐减小的梯度变化趋势。3

3、．SMAT后样品表面层的显微硬度明显增大，表面纳米层的显微硬度约为心部基体硬度的两倍，并且随着深度的增大显微硬度值逐渐减小，其表面硬度的增大可归因于晶粒细化效应和加工硬化效应共同作用的结果。但是极化腐蚀实验结果表明，SMAT方法所获得的表层纳米结构组织却降低了材料的耐腐蚀性能。主要是因为SMAT后样品表层的晶界增多，晶界能增大，增强了反应活性；SMAT后样品表层由于严重塑性变形而储存了大量的应力，也增强了应力腐蚀的趋势，另外，SMAT处理后表面粗糙度增大也是导致耐腐蚀性能下降的原因。4．纯铜表面纳米化后其晶粒稳定性可以保持到300℃，晶粒长大趋势不很明显。SMAT样品与粗晶样品分别经电镀镍

4、并在一定温度下热处理后，在纳米晶试样中，镍原子在100℃下就有明显的扩散现象产生，而在粗晶样品中100。C下短时间退火后扩散并不明显。这是因为样品表面纳米晶层内存在有大量的非平衡态缺陷(如高密度位错和位错胞)，尤其是晶界数量增加，降低了镍原子扩散的激活能，提高了其扩散系数，从而加快了镍原子的扩散。5．SMAT前后的纯铜样品分别经离子注入钛后，钛的浓度分布均呈Gauss分布，两种样品的离子注入深度基本相同。但是SMAT样品内部钛原子的浓度比粗晶样品中的有所提高。这主要是因为注入原子与由太原理工大学硕士研究生学位论文SMAT所产生的空位、晶界及位错等缺陷发生交互作用，使得注入元素的浓度升高；另

5、外，SMAT后样品表面层的扩散能力大大增强，也是SMAT后样品注入元素的浓度提高的原因。关键词：纯铜，表面机械研磨处理，表面纳米化，显微结构，性能，扩散太原理工大学硕士研究生学位论文INVESTIGAITIoNoNSURFACENANoCRYSTALLIZATIoNANDDIFFUSIONBEHAVIoRoFCoPPERPLATEABSTRACTNanostmcturedmetallicmaterialshavebeenthesubjectofconsiderableresearchduetotheiruniquemicrostructuresandappealingmechanicalp

6、roperties．Inrecentyears，surfacemechanicalattritiontreatment(SMAT)whichisusedtofabricatebulknanostructuredmaterials(NSM)，cannotonlyenablethefabricationofaporosity·-freeandcontamination·-freenanocrystallinesurfacelayerwhichisinducedbythesevereplasticdeformationatveryhighrates，butalsoavoidbondinginte

7、rfacebetweenthenanostmcturedsurfacelayerandmatrix，hasattractedthegrowinginterestofspecialistsinmaterialsscience．Inthispaper,thenanostmcmredsurfacelayerWasobtainedonpurecopperplatesbyusingSMAT．Microstmcturefeature