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塑性变形制备纳米结构铜和银的数值模拟及试验研究

作　者: 曹进琪
导　师: 许晓静
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 强烈塑性变形纳米材料制备数值模拟应变均匀性纯铜纯银
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

等通道转角挤压(Equal-channel angular pressing，简称ECAP)等强烈塑性变形技术是制取超细晶或纳米结构材料、大幅提升材料性能的重要途径。本文针对国内外该主题研究中的一些不足，拟定的研究内容及相应结果如下：首先，本文首次建立了连续4道次挤压的四连通物理模型，然后用有限元软件DEFORM—3D对其进行仿真模拟，来研究ECAP加工状态(挤压路径和模具结构，如通道夹角和内圆弧半径)对材料应变均匀性的影响。结果表明，加工路径对应变均匀性的影响必须和加工道次结合起来考虑，一般4道次挤压加工后路径B_c获得的应变最均匀，而2道次加工后路径C获得的应变均匀性最高，通道夹角和内圆弧半径的增加也会导致应变均匀性提高。因此要获得理想的应变分布需要同时考虑上述诸因素。单道次ECAP的仿真研究还表明载荷会随着摩擦系数的增加而急剧增加，有摩擦时的应变值比没有摩擦时的应变值要大0.2左右，但应变值与摩擦系数的大小关系不大，少量的摩擦可以提高与挤出方向垂直方向上(Y向)材料的应变均匀性，在模具强度和试样塑性都足够的情况下适当的摩擦对变形可起到有利作用。其次，本文以工业纯铜为研究对象，首次对低温ECAP进行了实验研究。比较分析了室温和低温ECAP后试样的扫描电境(SEM)微观组织形貌、拉伸性能、拉伸断口形貌以及X射线衍射(XRD)测试结果。各项结果综合显示，低温ECAP加工后材料的微观组织要更均匀一些，强度和延伸率比室温加工后都有所提高，这种现象可能是由于低温时容易生成孪晶，而孪晶对强度以及延伸率的影响和一般晶粒不同而引起的。再次，本文进行了低温压缩变形以及此法和ECAP结合的实验，以研究不同变形量对材料特性的影响。结果显示，压缩变形明显提高了材料强度，但对延伸率不利，材料内部位错对强度的贡献降低。最后，本文利用低温压缩变形制备出纳米结构纯银，高分辩率透射电境(TEM)、显微硬度以及XRD测试结果显示，通过低温强烈塑性变形加工可以获得组织致密的纳米结构纯银材料，材料内部存在大量(微)孪晶，从硬度和强度之间的关系可以推算出材料的强度约为306 MPa，由理论计算得出，各强化机理中的位错强化值为110.2 MPa，晶界强化值大于140 MPa，而孪晶界的强化效果则不是很明显。结果还表明，层错能越低，形变时越容易发生孪生，并利于等轴晶的形成。该项研究在国内外尚属首次。综上研究可以得出：材料内部应变均匀性可以通过挤压路径和道次来进行控制；对于易加工材料可以降低其加工温度或结合压缩变形来获得更高强度；面心立方金属层错能越低，越易发生孪生变形，并利于等轴晶的形成。本文的研究工作未经国内外报道，工作中发现了一些奇异科学现象，为后续工作奠定了良好的基础，而本文的一些结论只是这些现象的初步总结，具体还有待进一步探讨。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-27
  1.1 本文的研究背景  12
  1.2 块体纳米材料的制备技术  12-14
    1.2.1 惰性气体凝聚原位加压法  12-13
    1.2.2 机械合金化方法  13
    1.2.3 电沉积法  13
    1.2.4 非晶晶化法  13
    1.2.5 强烈塑性变形法  13-14
  1.3 ECAP技术  14-22
    1.3.1 引言  14-15
    1.3.2 ECAP原理  15-16
    1.3.3 ECAP工艺参数  16-20
      1.3.3.1 模具通道夹角Φ  16
      1.3.3.2 内圆弧半径R  16-17
      1.3.3.3 挤压次数  17
      1.3.3.4 挤压路线  17-19
      1.3.3.5 挤压速度  19
      1.3.3.6 挤压温度  19-20
    1.3.4 经ECAP挤压后材料微观结构特征  20-21
      1.3.4.1 显微组织演化  20-21
      1.3.4.2 微观结构稳定性  21
    1.3.5 ECAP加工后材料的机械性能变化  21-22
      1.3.5.1 硬度  21-22
      1.3.5.2 拉伸应变-应力曲线  22
  1.4 超细晶铜的拉伸性能  22-25
    1.4.1 强度和(亚)晶粒尺寸之间的关系  23
    1.4.2 均匀延伸率和强度之间的关系  23-25
  1.5 有限元方法数值模拟技术  25
  1.6 本文的研究目的和内容  25-27
第二章等通道转角挤压的应变均匀性仿真与研究  27-34
  2.1 引言  27
  2.2 建模与仿真  27-29
  2.3 仿真结果及分析  29-32
  2.4 模拟载荷变化  32-33
  2.5 实验结果观测  33
  2.6 结论  33-34
第三章摩擦对ECAP的影响  34-39
  3.1 引言  34
  3.2 建模与仿真  34-35
  3.3 仿真结果及分析  35-38
    3.3.1 摩擦对载荷的影响  35-37
    3.3.2 摩擦对应变及其均匀性的影响  37-38
  3.4 结论  38-39
第四章试验装置、材料及方法  39-43
  4.1 试验所用的ECAP模具  39-40
  4.2 试样的制备  40
    4.2.1 纯铜  40
    4.2.2 纯银  40
  4.3 预处理  40
    4.3.1 纯铜的预处理  40
    4.3.2 纯银的预处理  40
  4.4 试验  40-41
    4.4.1 ECAP试验  40-41
    4.4.2 压缩变形试验  41
  4.5 显微组织分析  41
  4.6 高分辩率透射电镜组织观测  41
  4.7 XRD物相分析  41
  4.8 硬度测试  41-42
  4.9 拉伸试验  42-43
第五章低温ECAP制备高强度纳米结构铜  43-58
  5.1 引言  43
  5.2 实验  43-44
  5.3 结果观测与分析  44-56
    5.3.1 微观组织观测显微硬度  44-48
    5.3.2 显微硬度  48
    5.3.3 拉伸性能  48-51
    5.3.4 断口特征  51-53
    5.3.5 XRD分析  53-56
  5.4 结论  56-58
第六章低温ECAP结合压缩变形制备高强度纳米结构铜  58-67
  6.1 引言  58
  6.2 实验  58-59
  6.3 结果观测与分析  59-66
    6.3.1 微观组织观测  59-60
    6.3.2 显微硬度  60
    6.3.3 拉伸性能  60-62
    6.3.4 断口特征  62-64
    6.3.5 XRD分析  64-66
  6.4 结论  66-67
第七章块体纳米银的制备与强化机理  67-72
  7.1 引言  67
  7.2 实验  67
  7.3 结果观测与分析  67-69
    7.3.1 微观组织观测  67-68
    7.3.2 显微硬度  68-69
    7.3.3 XRD分析  69
  7.4 强化机理  69-71
    7.4.1 位错强化  69-70
    7.4.2 晶界强化  70-71
    7.4.3 其他强化机制  71
  7.5 结论  71-72
本文研究的总结  72-74
本文研究的创新点  74-75
需要进一步研究的工作  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-82
攻读硕士学位期间发表的学术论文  82

塑性变形制备纳米结构铜和银的数值模拟及试验研究

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