【摘 要】
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纳米孪晶材料因其独特的结构和性能关系,成为金属材料科学研究的热点前期研究表明,纳米孪晶金属的力学性能和变形机制与孪晶间距、晶粒尺寸和孪晶界取向等微观结构参量密切相关。但是,这些结果均是基于多晶纳米孪晶样品,因此晶界可能如何影响力学行为目前尚不清楚。开展单晶纳米孪晶金属的力学行为研究,分离孪晶界和晶界的力学贡献,是深入理解纳米孪晶优异力学性能的关键。本论文采用液氮温度动态塑性变形(Liquid Ni
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纳米孪晶材料因其独特的结构和性能关系,成为金属材料科学研究的热点前期研究表明,纳米孪晶金属的力学性能和变形机制与孪晶间距、晶粒尺寸和孪晶界取向等微观结构参量密切相关。但是,这些结果均是基于多晶纳米孪晶样品,因此晶界可能如何影响力学行为目前尚不清楚。开展单晶纳米孪晶金属的力学行为研究,分离孪晶界和晶界的力学贡献,是深入理解纳米孪晶优异力学性能的关键。本论文采用液氮温度动态塑性变形(Liquid Nitrogen Temperature-Dynamic plastic deformation,LNT-DPD)技术处理低层错能的Cu-Al合金,获得粗大晶粒纳米孪晶Cu-Al合金样品,通过飞秒激光微加工平台切割单晶样品,并开展微尺度力学性能测试,研究不同孪晶界取向的力学性能,同时利用扫描电子显微镜(SEM)和背散射电子衍射(EBSD)研究其变形机理。主要研究结论如下:(1)Cu-Al合金经过LNT-DPD处理后,由于层错能较低,能够获得高密度的孪晶结构,且单个晶粒的平均尺寸为1.5mm,满足微尺度拉伸测试要求。(2)当拉伸方向平行于孪晶界时,单晶纳米孪晶的变形机制为贯穿位错的跨孪晶界滑移。贯穿位错先在宽孪晶片层或基体内形核并向前运动,接着沉积到孪晶界的螺位错交滑移到孪晶界上并分解为两个分位错,最后孪晶界上的分位错发生束集并交滑移到相邻孪晶/基体片层内形成新的贯穿位错。重复这个过程,贯穿位错最终穿过所有孪晶片层而贡献塑性变形。(3)当拉伸方向平行于孪晶界时,材料的强度和孪晶间距的倒数成线性关系,随着孪晶间距的不断减小,样品表现出越来越高的强度。这是因为贯穿位错在相邻孪晶界约束下以Orowan位错形式鼓出滑移,因此滑移开动所需要的外力与孪晶间距成反比。(4)当拉伸方向倾斜于孪晶界时,塑性变形机制转变为沿孪晶界的位错滑移。此时,单晶纳米样品的屈服强度高于无孪晶的单晶样品,同时表现出更明显的加工硬化和拉伸塑性。(5)当拉伸方向倾斜于孪晶界时,伴随着材料强度的提高,拉伸塑性会有一定程度的降低。由于晶界不存在,单晶纳米孪晶不再通过塑性韧窝形核-长大机制断裂。相对多晶样品,单晶纳米孪晶样品具有更高的均匀塑性变形能力。
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