冷轧纳米金属镍的微结构演变研究

论文摘要

纳米金属材料的塑性变形机制与微结构演变是国际纳米结构材料研究领域的前沿方向之一。普通粗晶材料随着晶粒的细化,其强度／硬度得到增强,此所谓Hall-Petch关系。然而,当晶粒尺寸减小到了纳米级别,出现了不符合Hall-Petch关系的实验现象,说明纳米金属材料的结构与变形机制与普通粗晶材料有所不同。粗晶材料主要通过位错运动来达到塑性变形,位错源于晶界或晶内原有的位错,变形中产生位错增殖、塞积,位错的相互作用形成位错网络。然而,纳米金属材料由于晶粒尺寸很小,晶内位错不稳定,因此,晶内被认为没有或很少位错。纳米金属材料的塑性变形涉及到晶界发射位错,切过晶粒,被对面晶界吸收；晶界发射不全位错,在晶内留下层错,或形成孪晶；晶粒的转动；晶界的滑移；相变；空位以及空位团的运动等方面,并且纳米金属材料的塑性变形往往并不是依靠单一的变形机制来实现的。因此在什么样的情况下?哪种机制占主导?还需要更深入的研究。本文对平均晶粒尺寸为20nm的电沉积纳米金属镍在室温下进行了冷轧,通过X射线衍射（XRD）、显微硬度测试、退火实验、透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）等研究方法分析了其塑性变形机制与微结构的演变,发现纳米金属镍的轧制变形可分为三个阶段：（1）当应变量ε<20%时,变形以晶粒转动机制为主导,并且变形引发位错密度下降,产生加工硬化；（2）当应变量20%<ε<30%间,晶粒转动机制减弱,部分晶界发射位错,但位错密度仍然维持较低水平,并且应力集中引发局部区域出现细小的孪晶阻止了位错的滑移,依然出现加工硬化；（3）当应变量ε>30%之后,晶粒转动基本停止,并且HRTEM观察发现了大量的孪晶,说明晶界发射不全位错形成孪晶已成为主要变形机制之一。同时发现了三种类型的孪晶界：（Ⅰ）如果变形应力足够大并且持续,则将产生平直的孪晶界；（Ⅱ）如果晶界发射不全位错时,由于应力不足（比如外力撤销,应力方向改变）的原因,不全位错停留在晶内邻近原子层的不同位置。便出现了台阶型的孪晶界；（Ⅲ）孪晶长大后,晶界位错与孪晶界的反应以及孪晶界发射位错生成的压杆位错（Lomer-Cottrell lock）,使平直的孪晶界变得混乱,共格性遭到破坏,产生混乱型孪晶界。应力集中导致了局部区域的晶粒转动,在转动过程中部分晶界消失,造成晶粒尺寸的增加,并利用XRD谱线计算了不同应变量下的晶粒尺寸。TEM观察发现,后期部分晶粒尺寸达到60-70nm,进一步的研究表明,晶粒尺寸的增大是造成ε>30%之后出现加工软化的主要原因。当纳米金属镍的轧制应变量超过30%时,发现了母相γ相（fcc）中生成了α相（bcc）,其晶体位向关系为（11-1）γ／／（10-1）α,符合Kurdjumov-Sachs （K-S）关系,因此这是一种形变诱发马氏体相变的现象。经过计算得到体心立方结构镍的平均晶格常数为a=0.2921 nm。在退火实验中,发现90分钟后,α相消失,只剩下γ相,即发生了体心立方向面心立方转变的相变回复。退火使得晶界松弛,发射位错困难,加上孪晶界等缺陷对位错滑移的阻碍作用,使得退火时材料的硬度增加。同时建立了一种新的纳米金属空位形成能的模型,并对其进行了计算,结果表明：当晶粒尺寸小于40nm时纳米金属的空位形成能随着晶粒尺寸的减小而显著下降；晶粒尺寸大于40nm时,其空位形成能与粗晶材料相同；晶粒尺寸不变时,纳米金属的空位形成能随着晶粒形状因子的增大呈线性下降趋势。采用刚性球模型来表达空位,得到了金属多空位形成能的表达式,并利用其计算了多种金属三空位、四空位的空位形成能以及结合能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米金属材料简介
• 1.2 纳米金属材料的微观结构
• 1.2.1 晶界结构
• 1.2.2 晶粒结构
• 1.3 纳米金属材料中的缺陷
• 1.3.1 位错
• 1.3.2 三叉晶界
• 1.3.3 空位,空位群
• 1.3.4 孪晶
• 1.4 纳米金属材料的制备技术
• 1.4.1 惰性气体冷凝原位加压法
• 1.4.2 机械合金研磨（MA）结合加压成块
• 1.4.3 大塑性变形方法
• 1.4.4 非晶晶化法
• 1.4.5 粉末冶金法
• 1.4.6 熔体凝固法
• 1.5 纳米金属材料塑性变形机制
• 1.6 本论文的研究意义及内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验
• 2.2.1 冷轧变形实验
• 2.2.2 X射线衍射实验
• 2.2.3 透射电镜观察实验
• 2.2.4 显微硬度测试实验
• 2.3 实验方法
• 第三章 纳米金属镍变形中的晶粒转动与位错滑移
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 织构演变
• 3.3.2 硬度
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 纳米金属镍的晶粒长大与变形孪晶
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 晶粒长大
• 4.3.2 变形孪晶
• 4.4 讨论
• 4.4.1 纳米金属镍中变形引发的晶粒长大
• 4.4.2 纳米金属镍中的变形孪晶
• 4.5 本章小结
• 第五章 纳米金属镍的形变诱发相变
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 形变诱发的相变
• 5.3.2 加工软化与退火相变回复
• 5.4 本章小结
• 第六章 纳米金属空位形成能
• 6.1 引言
• 6.2 纳米金属的空位形成能
• 6.2.1 纳米金属空位形成能模型
• 6.2.2 纳米金属空位形成能计算结果
• 6.3 金属多空位形成能
• 6.3.1 金属多空位形成能模型
• 6.3.2 金属多空位形成能计算结果
• 6.4 本章小节
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果