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变形和退火工艺对铜锌合金力学性能影响

作　者: 吴小香
导　师: 朱心昆
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 铜锌合金大塑性变形孪晶位错退火
分类号: TG306
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

铜和铜合金以其优异的性能广泛应用于工业中的各个领域,作为有色金属王国的云南更是将铜和铜合金的研究作为一个热点和重点内容。改善铜和铜合金材料的强度和塑性一直以来都是科研工作者致力于研究的科学难题。采用大塑性变形方法(SPD)能够有效地提高材料的强度。本论文以Cu,Cu-10wt.%Zn, Cu-20wt.%Zn, Cu-30wt.%Zn为研究对象,其层错能分别为：78mJ/m2,35mJ/m2,18mJ/m2,和14mJ/m2,探讨了各种不同的变形加工方法如室温轧制、低温轧制、低温锻造、高压扭转(HPT)和霍普金森变形(Split Hopkinson Bar)对于材料性能的影响,并寻求现有条件下最佳的加工工艺。材料的变形受到很多因素的影响,如变形温度、应变速率、层错能等,这些因素对材料的力学性能也有着不同程度的影响。为了具体地探索上述影响因素在材料的塑性变形过程中产生的影响,根据现有铜锌合金,将实验设计如下：分别将Cu-10wt.%Zn, Cu-20wt.%Zn, Cu-30wt.%Zn进行室温和低温轧制,将Cu,Cu-10wt.%Zn和Cu-20wt.%Zn进行霍普金森变形和室温轧制,Cu、Cu-10wt.%Zn和Cu-20wt.%Zn进行低温锻造以及高压扭转变形(HPT)处理。主要的性能测试和显微组织分析方法包括：显微硬度测试、拉伸性能测试、XRD测试、TEM测试。通过实验发现,变形温度对于材料力学性能有着重要的影响。低温轧制(液氮77K)下的同一材料强度和塑性均比室温轧制下的要高。变形温度越低,越有利于孪晶的生成,有助于提高塞积位错的能力同时也能提高加工硬化率。提高应变速率虽然在理论上能起到和降低变形温度相类似的作用,但是应变速率并非越高越好。应变速率越高,越容易产生不均匀变形,产生的局部应变也容易形成剪切带。这对于材料的综合力学性能也是有害的。层错能是材料重要的属性,降低层错能有利于层错和孪晶的形成以及细化晶粒等。层错能越低,层错越宽,越有利于位错的塞积,也有利于提高加工硬化率,从而能提高材料的强度和塑性。但是,由于材料的力学性能受到诸多因素的综合影响,层错能并非越低越好,即存在最优层错能,如在低温轧制体系中,最佳的力学性能是Cu-20wt.%Zn而不是层错能最低的Cu-30wt.%Zn。另外,退火处理作为特殊的强化手段在近年来也受到了更为广泛的关注。在本课题中,退火实验采用的是室温轧制和低温轧制下的Cu-10wt.%Zn、 Cu-20wt.%Zn和Cu-30wt.%Zn。一方面,通过退火处理可以在材料内部产生退火孪晶,从而提高材料的强度和塑性；另一方面,退火过程能够消除材料内部的内应力和其他缺陷从而改善材料的塑性。值得注意的是,当纳米材料内部的位错密度降低时也会引起退火强化。实验发现,低温液氮轧制相下的Cu-20wt.%Zn的最佳退火温度为200℃,此时材料的强度和塑性均有所提高；室温轧制下Cu-30wt.%Zn中最优综合力学性能出现在退火温度150℃,此时材料的强度提高但是塑性略微降低。可见,合理地设计实验过程可以有效地改善材料的力学性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-27
  1.1 引言  11-12
  1.2 材料性能的主要参数  12-18
    1.2.1 材料强化的主要方式  12-17
    1.2.2 提高材料塑性的主要方式  17-18
  1.3 材料力学性能的影响因素  18-21
    1.3.1 层错能  18-19
    1.3.2 变形温度  19
    1.3.3 应变速率  19-20
    1.3.4 应变量  20-21
  1.4 大塑性变形方法  21-23
    1.4.1 高压扭转  21-22
    1.4.2 等径角挤压  22-23
    1.4.3 多向锻造  23
  1.5 退火强化的主要原理  23-24
  1.6 课题研究的内容和意义  24-27
第二章实验内容  27-39
  2.1 试验方案设计  27-28
  2.2 试样准备  28-30
  2.3 试样变形方法  30-33
    2.3.1 轧制  30-31
    2.3.2 低温锻造  31-32
    2.3.3 高压扭转变形  32
    2.3.4 霍普金森变形  32-33
  2.4 DSC曲线测试  33
  2.5 低温退火  33
  2.6 显微硬度测试  33-34
  2.7 力学性能测试  34-35
  2.8 显微组织分析  35-39
    2.8.1 XRD测试  35-36
    2.8.2 透射电镜分析  36-39
第三章实验结果与讨论  39-69
  3.1 轧制工艺试验结果  39-44
    3.1.1 硬度测试结果  39
    3.1.2 拉伸试验结果  39-41
    3.1.3 XRD测试结果  41-43
    3.1.4 小结  43-44
  3.2 低温锻造工艺试验结果  44-47
    3.2.1 拉伸测试结果  44-45
    3.2.2 XRD测试结果  45-46
    3.2.3 小结  46-47
  3.3 高压扭转试验结果  47-49
    3.3.1 硬度测试结果  47
    3.3.2 拉伸测试结果  47
    3.3.3 XRD测试结果  47-48
    3.3.4 小结  48-49
  3.4 霍普金森变形工艺试验结果  49-52
    3.4.1 硬度测试结果  49
    3.4.2 拉伸试验结果  49-50
    3.4.3 XRD测试结果  50-51
    3.4.4 显微组织分析  51-52
    3.4.5 小结  52
  3.5 各变形工艺对比  52-59
    3.5.1 变形温度对材料的影响  53-55
    3.5.2 应变速率对于材料的影响  55-57
    3.5.3 层错能对材料的影响  57-59
    3.5.4 小结  59
  3.6 退火试验结果  59-69
    3.6.1 DSC试验结果  59-60
    3.6.2 退火硬度对比  60-61
    3.6.3 退火试样拉伸对比  61-65
    3.6.4 退火试样显微组织观察  65-67
    3.6.5 退火硬化机理探讨  67-69
第四章结论  69-71
致谢  71-73
参考文献  73-83
附录攻读硕士期间发表论文目录  83-85

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