【摘 要】
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金属材料的强度与塑性一直是一种竞争的关系,获得高强度的同时是以牺牲良好的塑性为代价的。通过严重塑性变形技术制备的超细晶、纳米晶和非晶材料虽然表现出高强度,但其塑韧性和加工硬化能力并不理想,再加上其结构的不稳定性限制了其广泛应用。那么,如何在提高金属材料强度的同时又不牺牲或是较小地牺牲其塑性,这一研究课题一直是相关研究者们关注的焦点。而具有层状结构的材料其强韧化方法可作为金属材料强韧化的一种极佳选择
【基金项目】
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国家自然科学基金； 科技部“973”计划项目； “东北大学优秀博士论文培育（D类）”项目；
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金属材料的强度与塑性一直是一种竞争的关系,获得高强度的同时是以牺牲良好的塑性为代价的。通过严重塑性变形技术制备的超细晶、纳米晶和非晶材料虽然表现出高强度,但其塑韧性和加工硬化能力并不理想,再加上其结构的不稳定性限制了其广泛应用。那么,如何在提高金属材料强度的同时又不牺牲或是较小地牺牲其塑性,这一研究课题一直是相关研究者们关注的焦点。而具有层状结构的材料其强韧化方法可作为金属材料强韧化的一种极佳选择。本论文工作主要采用电沉积（Electrodeposition,ED）及冷轧（Cold Rolled,CR）的方法制备出不同结构的Cu/Ni层状复合材料以及“三明治”结构的复合材料ED-Cu/CR-Cu/ED-Cu和Ni/Fe78B13Si9/Ni。通过力学性能研究,并结合微观组织及断口形貌表征与分析,系统地研究了应变速率、组元层单层厚度（λ）、梯度结构、组元层厚度比等因素对Cu/Ni层状复合材料力学性能的影响;此外,还系统地研究了层间界面对两种“三明治”结构复合材料的拉伸性能与断裂行为的影响。获得如下主要研究结果:采用双槽电沉积方法制备的超细晶尺度的Cu/Ni层状复合材料具有很强的拉伸应变速率敏感性,随着应变速率由1×10-5 s-1增加到1×10-2 s-1,层状复合材料的强度与塑性均得到提高;同时随应变速率的增加,层状复合材料的断裂模式由脆性断裂模式转变为具有明显颈缩的韧性断裂模式。应力梯度分析表明,高应变速率条件下层状复合材料塑性的异常增加可能源自组元层间异质界面间较高的应力梯度,因其明显地改善了超细晶尺度层状复合材料的应变硬化能力。通过控制电沉积工艺参数成功制备出λ=3 μm和λ=32 μm以及梯度结构的三种相同总厚度的Cu/Ni层状复合材料。与λ=32 μm和梯度结构样品相比,λ=3 μm的Cu/Ni层状复合材料不仅呈现出较高的拉伸强度和较好的应变硬化率,且表现出较强的过颈缩（Post-Necking）阻力。应力梯度、总的流变应力以及几何必需位错密度均随λ的减小而增大。过颈缩塑性变形的研究结果表明,超薄层状复合材料中高密度的层间界面对延迟层状材料厚度方向上不稳定塑性变形的扩展起到至关重要的作用,这主要是通过界面附近的周期性的应变梯度和大量的几何必需位错来起作用。层间界面的存在抑制了位错沿厚度方向上的运动,因此局部塑性变形不得不沿着轴向扩展,最终产生巨大的颈缩宽度,导致过颈缩塑性变形能力的提高。梯度结构复合材料由表及里的宏观梯度结构使复合材料的屈服强度获得极大提高,同时也改善了其塑韧性。在其它工艺参数不变的条件下,通过控制电沉积时间实验制备出厚度比（tNi/tCu）为1.2、2.4、5.2、9.6、20的五种Cu/Ni层状复合材料。厚度比为5.2、9.6及20的样品具有更高的强塑性匹配,其中Ni组元层所占体积比和复合材料层间界面数量起到了至关重要的作用。疲劳测试结果表明,与Ni相比,厚度比为9.6及20的层状复合材料具有更高的疲劳强度。复合材料中超薄的Cu层主要对初始裂纹及二次裂纹的扩展起到阻碍作用,其中主要包括裂纹尖端应力集中的释放以及Cu/Ni界面区域裂纹的偏转与脱粘几种裂纹尖端钝化机制。采用电沉积及冷轧的方法成功地制备出具有“三明治”结构的ED-Cu/CR-Cu/ED-Cu复合材料。随着CR-Cu轧制道次从1道次增加到6道次,CR-Cu及“三明治”结构的ED-Cu/CR-Cu/ED-Cu复合材料的硬度及拉伸强度先增大后减小,5道次达到最大值;与CR-Cu材料相比,“三明治”结构的ED-Cu/CR-Cu/ED-Cu复合材料的拉伸强度有所下降,但塑性得到很大改善。ED-Cu本身具有良好的加工硬化能力,以及CR-Cu与ED-Cu之间的层间界面存在应力失配产生的额外应力及额外加工硬化率,最终导致复合材料的加工硬化率均高于对应轧制道次的CR-Cu材料的。采用电沉积方法在铁基非晶（Fe78B13Si9）表面沉积厚度为3～30 μm的超细晶Ni层,制备出具有“三明治”结构的Ni/Fe78B13Si9/Ni复合材料。拉伸测试结果表明,随着超细晶Ni层厚度的增加,复合材料的强度减小,塑性提高,强度与塑性整体上符合典型的“香蕉”型匹配关系;并且复合材料的断裂模式发生着转变,tNi=3 μm复合材料发生的是正向断裂,而随着超细晶Ni层厚度的增加,剪切断裂占据了绝对优势。电沉积过程中引入的残余应力及超细晶Ni层局部颈缩引起的面外张应力对“三明治”结构Ni/Fe78B13Si9/Ni层状复合材料断裂模式的转变起到至关重要的作用。
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