IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
梯度纳米钛的力学性能与微观结构研究
Alternative TitleMechanical properties and microstructure of gradient nanostructured titanium
朱鸣柳
Thesis Advisor武晓雷
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype硕士
Degree Discipline材料学
Abstract室温均匀拉伸塑性恶化已成为单级、均质纳米金属材料发展的重大瓶颈问题。近来,通过改变微结构产生应变梯度和应力梯度效应提高纳米金属综合力学性能,为突破这一难题提供了新的思路。梯度纳米金属塑性变形不协调带来的应力状态改变和应变协调,是造成梯度结构材料整体兼具良好强度和塑性的根本原因。目前,针对梯度纳米金属宏观力学行为的微结构及应变(应力)梯度效应表征是该研究领域亟待解决的基本科学问题。通过对梯度纳米金属宏观力学性能,以及对应塑性变形行为、应变硬化和微结构机制的分析和讨论,加深对上述问题的理解,并拓展对纳米结构材料组织-性能关系的认知,以期对纳米结构材料组织和性能的控制、优化提供具有一定价值的参考。 选取钛(TA2)为研究材料,采用异步轧制(Asymmetric Rolling, AsR)和表面机械研磨处理(Surface Mechanical Attrition Treatment, SMAT),分别制备了具有不同微观结构的梯度纳米钛。采用室温拉伸和硬度测试对两种梯度纳米钛样品及其对应剥层样品的宏观力学行为进行表征。同时,利用金相、扫描电镜和透射电镜对其微观结构进行表征。此外,采用循环应力松弛、循环加卸载和跳应变速率等研究方法对梯度纳米钛的塑性变形机制进行分析。论文主要研究结果如下: (1) 利用AsR得到表面硬度梯度层厚度约为70 μm梯度纳米钛。TEM观察表明,梯度纳米钛表层由平均晶粒尺寸约94 nm的等轴晶粒构成;中心层由截距尺寸介于100~300 nm的伸长位错胞和等轴状亚微晶组成。AsR钛样品经适当退火处理后(475 oC × 5 min),可在梯度纳米基体中引入一定比例的亚微米级再结晶晶粒,且该再结晶晶粒单位体积内的平均晶粒尺寸沿深度方向成梯度分布。该梯度纳米钛的屈服强度可达669 MPa,均匀塑性达10%,与粗晶钛(324 MPa, 8.6%)相比,分别提高约106%和16%。适当调节梯度层体积分数,可使梯度纳米钛样品的屈服强度进一步提高到897 MPa,并保有8.2%的均匀塑性。 (2) 通过SMAT得到表面硬度梯度层厚度约为200 μm梯度纳米钛。TEM观察表明,带状结构是SMAT钛不同深度层样品微观结构的共有特征。随距表层深度减小,带状结构间距逐渐减小,相邻条带间取向差逐渐增加;同时条带结构背景上逐渐形成微观剪切带,横贯带状结构并将组织分割细化。样品最表层的微观结构包含平均间距337 nm的带状结构、平均宽度100~500 nm的微观剪切带和两者相互交割所产生的粒状亚晶和位错胞块。因此,钛在SMAT工艺下细化机制为位错分割机制和微观剪切细化机制。准静态拉伸实验表明,SMAT钛样品屈服强度和均匀塑性分别为414 MPa和5.1%;SMAT钛表层样品具有与常规SPD钛相当的屈服强度(916 MPa)和均匀塑性(1.5%);对应的中心层样品具有与粗晶钛相当的屈服强度(370 MPa)和均匀塑性(6%)。微结构分析表明,梯度纳米钛表层强度的大幅提高和中心层加工硬化能力的适当保留,使梯度样品获得良好综合力学性能。 对应的拉伸断口观察表明,SMAT钛样品断口心部形貌为与粗晶钛断口相当的粗大韧窝,对应表层处则由均匀、细小的韧窝组成;SMAT钛表层拉伸样品断口呈现不均匀的拉长状韧窝形貌,且以典型的剪切方式断裂,剪切断裂角近34o。在拉伸过程中,梯度纳米钛的不同深度层之间应变相互协调是导致上述差别的原因之一。进一步分析表明,梯度纳米钛的力学性能是表层纳米结构和心部粗晶部分共同作用形成的,而非两部分性能的线性叠加。 关键词:梯度纳米金属,钛,塑性,微观结构
Call Number31123
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48962
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
朱鸣柳. 梯度纳米钛的力学性能与微观结构研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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