高层错能Cu-Mn合金单向拉伸和拉-拉疲劳行为的尺寸效应研究

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由于材料微型化的蓬勃发展,块体材料的力学性能已不完全适用于小尺寸材料。所以,近年来关于材料力学行为尺寸效应的研究引起了极大的关注,也建立了很多相关模型用以解释尺寸效应,但位错滑移模式对材料力学行为尺寸效应的影响却鲜见报道。本文选取了三种Mn含量(5、10、20 at.%)的Cu-Mn合金作为研究对象,对其拉伸和疲劳行为的尺寸效应进行了系统研究。Cu-Mn合金的单向拉伸实验结果表明,随着样品厚度的减小,其屈服强度(σYS)基本保持恒定,但最大抗拉强度(σUTS)和均匀延伸率(δ)呈现出“越小越弱”的趋势。当样品厚度由2.0 mm减小至0.5 mm,Cu-Mn合金的σUTS和δ减小幅度较小。然而,当样品厚度低于0.5 mm后,σUTS和δ大幅降低。尽管如此,位错滑移模式对Cu-Mn合金单向拉伸变形行为尺寸效应的影响不容忽视。随着Mn含量的增加(即位错滑移模式由波状滑移转变为平面滑移),σUTS和δ体现出的“越小越弱”趋势有所抑制。拉伸实验后的微观结构观察表明,样品厚度显著影响了 Cu-Mn合金塑性微观变形机制。首先,对于三种Cu-Mn合金,随着样品厚度的减小,位错密度明显降低。尤其当样品厚度低于0.5 mm后,位错密度显示了一个急剧降低的趋势。其次,样品厚度也影响了 Cu-Mn合金的位错亚结构演变。随着样品厚度的减小,Cu-5at.%Mn合金的位错组态均为波状滑移型位错结构,且位错胞壁间距明显增大;Cu-10at.%Mn合金的位错结构由波状滑移型位错结构转变为平面滑移带结构;当Mn含量增加到20 at.%时,Cu-Mn合金样品的位错结构均为平面滑移带结构,且滑移带宽度明显变窄。上述观察结果表明,位错密度的减小和不均匀分布的位错结构的形成加剧了样品变形过程中的应变局部化,导致Cu-Mn合金的拉伸变形行为表现出尺寸效应。然而,相较于波状滑移型位错结构,平面滑移型位错结构可以有效抑制位错交滑移的开动,促进加工硬化能力的提高,因此具有平面滑移特征的Cu-20at.%Mn合金显示了相对较弱的尺寸效应。拉-拉疲劳实验结果表明,Cu-Mn合金的疲劳性能也表现出了很强的厚度依赖性,即在同等应力幅下,随着样品厚度的减小,疲劳寿命明显减小。Cu-5at.%Mn和Cu-10at.%Mn合金的微观位错结构随着样品厚度的减小呈现出相似的变化规律,即在两种合金中,位错结构均由波状滑移型位错结构转变为平面和波状滑移型位错结构共存的状态。一方面,薄样品中平面滑移的发生一定程度上抑制了位错交滑移,使得位错增殖变弱,位错密度降低,进而合金的循环硬化能力变弱,疲劳寿命下降;另一方面,变形过程中,由短程有序(SRO)引起的平面滑移位错结构承担了绝大部分的塑性变形,增加了局部应变集中的风险,从而导致疲劳损伤更容易在小厚度样品中形成。对于Cu-20at.%Mn合金,所有样品的微观结构均为平面滑移带结构。随着样品厚度的减小,位错密度降低,且出现明显的位错密集区和贫乏区。因此,位错密度降低及分布不均应该是Cu-20at.%Mn合金疲劳行为尺寸效应产生的原因。
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