超细晶/纳米晶铜与铜锌合金拉伸/扭转断裂机制研究

Ultra?ne-grained (UFG) or nanocrystalline (NC) Cu and Cu-Zn alloys were prepared using equal-channel angular pressing (ECAP) to investigate the in?uences of grain size and stacking fault energy (SFE) on the macroscopic and microscopic tensile/torsional fracture mechanisms. The displacement fields and strain distributions during tension/torsion will be investigated in-situ by means of the digital image correlation (DIC) method and numerical simulation technique. Microstructures and grain sizes of these UFG/NC materials could be observed by TEM. And the fracture morphologies of Cu and Cu-Zn alloys were observed using SEM after tensile/torsional tests. In micro scale, the size, shape and distribution of dimples on the fracture surface were observed by laser focal microscope, stereo microscope or using MEX image software. According to these experimental results, the influence of SFE, grain size, stress state on fracture mechanism of UFG/NC Cu and Cu-Zn alloys could be analyzed, and the relationship between them will be proposed to provide theoretical direction of improving strength and ductility simultaneously.

以含有不同锌含量的铜锌合金为研究对象，采用等通道转角挤压技术（ECAP）制备具有不同晶粒尺寸的大块超细晶或纳米晶Cu及Cu-Zn合金样品，分别进行拉伸、扭转及拉伸/扭转复合加载实验，采用二维数字散斑相关测量系统和图像相关法测量试样变形过程中的应变分布。使用透射电镜观察样品的平均晶粒尺寸以及微观结构，采用扫描电镜观察拉伸、扭转与拉扭样品的变形表面及断裂形貌，并利用激光共聚集、体视镜或MEX图像处理软件观察分析断口韧窝的三维形貌特征，研究合金含量（层错能）、晶粒尺寸及应力状态对超细晶或纳米晶Cu及Cu-Zn合金宏、微观变形与断裂机制的影响，揭示其与材料强度、断裂行为之间的关系，为设计和发展具有高强度、高韧性与抗断裂能力强的金属合金材料提供实验证据与理论指导。

通过对超细晶及纳米晶单相铜合金进行拉伸、拉压疲劳、扭转疲劳等实验，系统地研究了层错能与应力状态对材料变形行为、力学性能与断裂机制的影响，主要研究成果分为层错能与应力状态的影响两部分。一方面，层错能的改变使材料孪生与滑移的竞争发生改变，并进一步影响了其强韧性，从而可实现Cu合金的同步强韧化。同时Cu合金的拉伸剪切断裂角及韧窝尺寸受到晶粒尺寸及层错能的影响发生改变，最终通过深入分析给出了韧性材料的宏微观断裂机制。另一方面，Cu合金随层错能降低而表现出明显的塑性变形均匀化程度提高，这大大提高了其高、低周拉压疲劳性能，然而，即使对于拉压疲劳性能最差的超细晶Cu，在循环扭转载荷作用下也可以表现出提高的疲劳性能。经分析表明，应力状态的改变可以影响材料的疲劳损伤分布情况，并减缓裂纹的扩展行为，从而提高材料的疲劳性能。这为进一步优化相关材料的性能提高了理论基础与依据。