梯度纳米结构铁高应变率变形的力学性能和微观机理研究

IMECH-IR > 非线性力学国家重点实验室

	梯度纳米结构铁高应变率变形的力学性能和微观机理研究
英文题名	Mechanical Properties and Microstructural Mechanism of Gradient Nano-structure Fe under High Strain Rate Deformation
	陈萍
导师	袁福平
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	硕士
学位专业	固体力学
摘要	纳米晶金属具有高强度低塑性的特点。在不过多损失强度的前提下提高材料的均匀拉伸伸长率是材料科学和力学共同涉及的核心科学问题。梯度纳米结构金属的研究表明，由于应变局部化被抑制，梯度纳米结构材料具有应变硬化能力，能够实现强度与塑性的良好匹配，具有较高的研究意义。本文利用表面机械研磨处理(SMAT)和表面机械碾磨处理(SMGT)两种不同的强烈塑性变形技术制备了梯度纳米结构铁，通过准静态拉伸/压缩以及分离式霍普金森拉/压杆动态拉伸/压缩实验，研究了梯度纳米结构铁的动态力学性能与应变硬化机理，并与粗晶铁的塑性变形行为作对比。主要研究结果如下： 1. 利用SMAT技术，在样品表面形成晶粒尺度呈梯度分布的梯度纳米结构铁，梯度表层的硬度提高了约28.6%。准静态拉伸实验表明，相比粗晶铁，梯度纳米结构铁屈服强度提高了一倍，均匀拉伸伸长率从32.6%降为26.7%，但仍高于均质纳米金属的均匀拉伸伸长率。梯度纳米结构铁的应变硬化行为的分析表明，应变在1.2%和7%之间时，其加工硬化率出现升高现象。这是因为梯度纳米结构在拉伸变形过程中由于应变协调作用，应力状态从单轴转变为多轴，可动位错不断形成并增殖，使其具有应变硬化能力，从而抑制了应变局部化的发生，提高了材料均匀拉伸伸长率。通过由SMAT技术制备的梯度纳米结构铁的动态拉伸试验可知：同一应变率下，梯度纳米结构铁的流动应力比粗晶大；梯度纳米结构铁的加工硬化能力小于粗晶铁，这是由于其本身加工硬化能力不足，再加上各个应变率下梯度纳米结构铁由塑性变形引起的温升都高于粗晶铁，热软化效应更明显，其流变应力随应变的增加有降低的趋势；对于同种材料，随着应变率的增加，流动应力呈现增加趋势；应变率越高，塑性功产生的热量越大，温升越明显，材料由塑性变形温升引起的软化现象越明显；动态拉伸变形下，粗晶铁的应变率敏感指数大于梯度纳米结构铁，符合bcc金属的应变率敏感指数和晶粒尺寸关系。 2. 利用SMGT技术制备了梯度纳米结构铁，硬度测量结果表明，梯度表层的硬度较粗晶基体提高了约68%。动态压缩变形后试件的整体硬度值与变形前相比都有所增加，并且仍然能保留较明显的硬度梯度特征，最表层的硬度值约为230 HV，心部的硬度值约为168 HV，提高了约37%。准静态压缩实验表明，梯度纳米结构铁的屈服强度约为355 MPa，与粗晶铁的192 MPa相比，提高了85%。通过由SMGT技术制备的梯度纳米结构铁的动态压缩试验可知：同一应变率下，梯度纳米结构铁的流动应力比粗晶大；梯度纳米结构铁的加工硬化能力小于粗晶铁，这是由于其本身加工硬化能力不足，再加上各个应变率下梯度纳米结构铁由塑性变形引起的温升都高于粗晶铁，热软化效应更明显；对于同种材料，随着应变率的增加，流动应力呈现增加趋势；应变率越高，塑性功产生的热量越大，温升越明显，材料由塑性变形温升引起的软化现象越明显；动态压缩变形下，粗晶铁的应变率敏感指数大于梯度纳米结构铁，符合bcc金属的应变率敏感指数与晶粒尺寸关系。同时，通过对材料动态压缩后的金相观察可以看出：与均匀纳米晶金属在高应变率变形条件下形成剪切带不同，梯度纳米结构铁中没有剪切带形成。
索取号	31090
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48947
专题	非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	陈萍. 梯度纳米结构铁高应变率变形的力学性能和微观机理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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