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3 实验结论 34
1 绪论
1.1 大塑性变形
1.1.1 大塑性变形介绍
优异的综合性能使复合材料成为当今材料领域的研究热点之一, 其常用的制备方法有铸造、粉末冶金、喷射沉积等, 受各种因素影响, 组织中普遍存在晶粒粗大、偏析、孔隙和夹杂等问题, 通常进行二次加工以提高强度和塑性。常规挤压、轧制等方法由于应变量较小, 晶粒细化能力有限, 加工后偏析相往往沿变形流线分布, 破碎和均匀化程度不彻底。此外, 二次加工方法通常在高温下进行, 再结晶晶粒容易长大, 难以获得超细晶组织。
大塑性变形技术在不改变复合材料尺寸的前提下, 通过施加很大的剪切应力而引入高密度位错,能够将平均晶粒尺寸细化到1 Lm以下, 获得由均匀等轴晶组成、大角度晶界占多数的超细晶复合材料;同时还能充分破碎粗大增强相, 尤其是在促使细小颗粒相均匀分布时比轧制、挤压效果更好, 显著提高复合材料的延展性和可成形性。近年来, 该方法受到材料科学界的普遍重视而得到迅速发展, 已经成功制备出具有不同晶体结构的纳米晶复合材料。
1.1.2 大塑性变形定义及原理
大塑性变形工艺定义：在金属的成形过程中将超大塑性应变应用于一定体积的金属中以获得超细晶材料的过程。大塑性变形的本质是细晶强化，根据霍尔－佩奇关系(经验公式)：σ=σ0 + kd－1 /2，在一定的晶粒大小范围内(d在一定的范围内)，晶粒越细材料强度越高与传统细晶强化的区别是把大塑性变形量施加于材料本身，根据具体实验的加工路径和加工条件，当材料晶粒小到一定程度之后(特别是晶粒达到亚微米及纳米尺度之后)，起强化作用的往往并不单纯是细晶强化一种强化机制，而是多种强化机制共同参与作用，因此，大塑性变形有更高效的强化作用，由此引起了各国材料研究者的高度关注。
多晶体颗粒的屈服强度取决于颗粒的直径大小，可以用霍尔一佩奇公式表达：σ = σ0 + kd－1 /2，σ0表示摩擦应力，k 为常数。该式表明晶体的屈服强度的增加与晶粒的二次方根的减少成正比，与热处理等其他强化方式不同，由晶粒减小导致抗拉强度增加不会导致晶体的韧性下降。引用了两个实例说明：
弹性极限应力与纯铁中晶粒大小的关系在图1.1.1中给出，和霍尔－佩奇公式相类似，弹性极限应力和晶粒大小的二次方根成反比，从图上可以看出亚微米级的超细晶材料的弹性极限应力是商业纯铁的5倍，因此具有超细晶的传统结构金属由于它们具有较高的强度，在达到相同的使用强度条件下，使用的金属的量较少。
纯铁晶粒大小与弹性极限之间的关系如图1.1.1所示。
图1.1.1 纯铁晶粒大小与弹性极限之间的关系
从图1.1.2可以看出，用大塑性变形制造的电线样品的机械性能和电线的直径D 与晶粒的直径d 的比值成反比。当D/d小于100时，D/d 越小，弹性极限应力越小． 尤其，当D/d 的比值小于5时，当D/d 减小时，弹性极限应力下降的更快。从这些结果可以看出，D/d 的比值只有大于100时，才能保证输电线材的安全性和可靠性。在多数情况下，电线 (电缆) 制品的直径D是确定的，故提高线材强度的最直接的方式即是细化晶粒 (减小d) ；并且在这里还需要着重考虑线材的电导率因素，故诸如添加合金元素及弥散强化等会较大影响材料导电率的强化方式将受限使用，也使得细晶强化的作用体现得更明显。
电线微元件样品的机械性能和材料直径D/d比的关系如图1.1.2所示。
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