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    铜晶粒细化研究现状细化晶粒是金属材料强韧化的重要手段之一,它可以有效地提高材料的综合力学性能。尤其是当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度时,金属展现出更加优异的力学性能。超细晶材料由于晶粒细小(0.1~1μm),具有大量的晶界面积,而且晶界很不完整,包含高密度的晶体缺陷,即高密度晶界位错和晶界附近的弹性畸变区,在晶界4~5nm的区域范围出现晶格畸变和高密度位错,不规则排列的小平面或台阶构成锯齿形晶界,由于晶界附近的弹性畸变,在透射电镜下观察到的晶界非常混乱,这种晶界处于高能,非平衡态。由于超细晶材料中的大量晶界处于热力学亚稳态,在适当的外界条件下将向较稳定的亚稳态或稳定态转化,一般表现为晶粒长大、相变或固溶脱溶。68057

    目前,微纳米金属材料的制备工艺主要包括:(1)惰性气体冷凝法:将材料在惰性气体气氛下蒸发,蒸发出的金属原子与惰性气体碰撞后动能降低,通过热对流输运到液氮冷却的旋转冷底板的表面,形成疏松粉末。收集后的粉末在高真空下冷压制成块体材料。(2)机械球磨法:通过磨球与料罐之间的碰撞,使粉末发生塑性变形、加工硬化和破碎。粉碎的粉末在随后的球磨过程中发生冷焊合,再次被破碎,合金化并使晶粒不断细化至纳米级。随后将粉末加压成型便可制得纳米块体材料。(3)非晶晶化法:将非晶材料作为前驱材料,经过适当热处理,使其转变成纳米尺度的多晶材料材料。(4)电解沉积法:通过在阴\阳极之间施加电压(直流、脉冲),沉积纳米量级的金属。上述方法工艺简单,对设备要求不高,生产效率较高,适用材料范围广,经济性好,比较适合于科学研究,但是其产物尺寸较小,均以薄膜形式存在,难以在工业上获得应用。为了获得块体纳米金属材料,目前多采用剧烈塑性变形法,主要制备手段包括等径角变形(Equal channel Angular Pressing, ECAP),大比率挤压(挤压比100以上),旋压法(Torsion Straining),循环挤压法(Cyclic Extrusion, CEC)等。上述方法均可以制备出块体材料,但对设备要求较高,制备的材料均匀性较差,晶粒分布不均匀且多属于微米尺度范围,同时易于在材料中引入织构,降低了材料了应用价值。论文网

    2  ECAP下的纯铜性能

    现在已有人将ECAP的方法运用于纯铜。在魏伟的《块体超细晶铜的制备与组织性能研究》中,他通过ECAP的方法,可以使块体超细晶金属发生强烈塑性变形。他自行设计了ECAP实验装置,并成功制备了12×12×80mm的块体超细晶纯铜,晶粒尺寸~0.2μm。纯铜经过ECAP(Φ=90°,Ψ=22°)变形后,随变形道次增加,纯铜拉伸强度增大,延伸率降低,1道次ECAP后拉伸强度达到300MPa,是退火态的2.3倍,延伸率则从退火态的54%降低到23%;4道次ECAP后,拉伸强度达到420MPa,是退火态的3.3倍,延伸率~30%,并趋于饱和。ECAP纯铜在随后的轧制变形过程中,拉伸强度随轧制压下量的增加近乎线性增大。ECAP+CR纯铜在保持延伸率不降低的情况下,屈服强度明显高于ECAP纯铜,2道次ECAP纯铜的屈服强度为348MPa,而2道次ECAP+83%CR纯铜的屈服强度为422MPa。纯铜在ECAP及随后的轧制变形中出现了加工硬化-软化的饱和现象,即流动应力随变形量增加先迅速增大,而后趋于饱和。认为这是由于变形量达到一定程度后。晶粒尺寸和孪晶宽度不再明显细化,位错密度趋于饱和的结果。

    3锻压下的纯铜性能

    在张继东的《大塑性变形对纯铜力学性能的影响》中,对纯铜在室温下进行了锻压的大变形加工。将直径16mm的无氧铜棒材在40kg空气锤的作用下连续模锻到直径为6.5mm。然后,对变形后的纯铜样品进行了拉伸和硬度测试,并采用扫描电镜对拉伸试样的断口进行了分析。研究结果表明:经过大变形后,由于纯铜的晶粒得以细化,抗拉强度、屈服强度、硬度和断裂延伸率都显著增加。纯铜的平均硬度和平均抗拉强度分别能达到88.7Hv和408.5MPa。纯铜的平均延伸率能达到8.5%,显著高于普通冷加工后的纯铜的延伸率。

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