金属材料的高应变率塑性变形及纳米化

《金属材料的高应变率塑性变形及纳米化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn1金属材料的高应变率塑性变形及纳米化1,21*1屠风华，潘晶，刘新才1宁波大学材料科学与化学工程学院，宁波市新型功能材料及其制备科学实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，宁波（315211）2宁波大学理学院，宁波（315211）E-mail：panjing@nbu.edu.cn摘要：塑性变形方法是目前研究与制备金属纳米晶材料的技术方法之一，包括低应变率变形和高应变率变形两种。本文对金属材料在表面机械研磨和高能球磨这两种高应变率塑性变形条件下的微观组织演化及纳米晶形成机理的研究和最新进展进行

2、了综述，旨在更好的理解该力学条件下金属材料的纳米化现象，以促进纳米材料的制备研究。关键词：高应变率塑性变形；微观组织演化；变形机理中图分类号：TG146.41.引言利用严重塑性变形方法可使金属材料的微米晶粒细化形成超细晶或纳米晶，这类方法包[1][2-3][4]括等通道转角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)、表面机械研磨(SMAT)和高能球磨[5]3(HEBM)等。其中表面机械研磨和高能球磨属于高应变率(ε&>10/s)的塑性变形方法。本文综述了金属材料在这两种高应变率变形条件下的组织演化及与变形机理的相关研究和最新进展，旨在更好地理解

3、该力学条件下金属材料的纳米化现象，以促进纳米材料的制备研究。2.表面机械研磨[4]表面机械研磨(SMAT)是近几年发展起来的一项新的表面纳米化技术。自2002年以来，卢柯课题组对Fe、α-Ti、Co、Cu等纯金属以及不锈钢、Mg合金等合金材料进行了一系列的[6-11]表面机械研磨处理。研究结果表明，在SMAT中由于受弹丸的高速、多方位重复冲击，材料表层的粗晶组织通过产生强烈的高应变率塑性变形而逐渐细化至纳米量级(10~30nm)[6-11]。2.1材料表层的组织演化及大晶粒的破碎机理大量的TEM观察结果表明，SMAT在原始晶粒中引入了大量

4、的位错、界面(晶界)等晶体[6-11]缺陷，从而使晶粒发生破碎，其破碎程度取决于应变和应变率的大小。随着材料表层深度的减小，应变和应变率逐渐增加，从基体到表面可依次产生形变粗晶层、细化结构层和纳[4]米结构层(厚度为10~50µm)，如图1所示。1本课题得到国家重大基础研究前期专项(2004CCA04000)，国家自然科学基金(50744014)，浙江省自然科学基金(Y406389)的资助。-1-http://www.paper.edu.cn[4]图1在SMAT中材料表层的微观组织特征及应变、应变率随表层深度的分布示意图在形变粗晶层中，材

5、料的粗晶组织通常可产生位错、层错、孪晶等缺陷，以此来协调塑性应变；在细化结构层中，应变和应变率有所增加，位错(或孪晶)的数量增多，相互作用更加频繁，因而可形成小尺寸的位错胞或孪晶，同时其界面(晶界)的取向差也逐渐增大；而在纳米结构层中，应变和应变率急剧增加，位错胞尺寸或孪晶尺寸可进一步减小至纳米量级，通过位错湮灭和重组、亚晶界的演变或孪晶的重复交割可最终形成取向呈随机分布的纳米晶。此外，材料在SMAT中的微观组织演化还受到变形金属层错能和晶体结构等因素的影响。例如，bcc结构的高层错能金属Fe，由于其变形受位错滑移的控制，随着材料表层深度

6、[6]的减小，在各类变形层中可依次形成位错墙和位错缠结、亚晶及纳米晶等一系列微观组织。而具有fcc结构的AISI304不锈钢，由于其低层错能性质限制了不全位错的交滑移，使得位错只能在各自的滑移面上运动，因而在形变粗晶层中可形成{111}平面的位错列、位错网格和层错(图2a)；随着应变和应变率的增加，机械孪生开动，在细化结构层中可形成多系孪晶[10]交割(图2b)，并在孪晶交割处诱发马氏体相变。对于hcp结构的α-Ti、Co、Mg合金等材[7-8,11]料，在形变粗晶层中以机械孪生变形为主，随着应变和应变率的增加，才逐渐产生位错滑移，同时伴

7、有层错。可见,SMAT中金属材料变形的微观机制是应变、应变率、晶体结构、层错能等内外因素综合作用的结果。[10]图2AISI304不锈钢经15minSMAT后的TEM像(a)距研磨表面约300µm深度；(b)距研磨表面约150µm深度2.2表层组织演化中的动态再结晶现象[7-8,11]除发生大晶粒破碎外，TEM的观察结果还表明，α-Ti、Co和Mg合金等材料在SMAT中均出现了晶界结构完整，“洁净”、无应变的等轴状纳米晶，作者们认为这是发生了动态再结晶的结果，如图3a、b所示(图中箭头所指为再结晶晶粒)。而对于动态再结晶机制，也有[7]人

8、持不同的看法。例如，Zhu等人认为是由于亚晶发生旋转(旋转再结晶)所致。动态再结晶的发生表明在SMAT中存在由高应变、高应变率塑性变形所导致的绝热温升，并且它对纳米晶组织的演化也产生了作用。在