样品厚度及预疲劳变形对粗晶纯铝单向拉伸行为的影响

摘要

随着微电机系统及微系统技术的发展，对材料力学性能尺寸效应的研究引起了材料研究者极大的关注。在实际工程应用中，材料的力学性能往往随服役过程中疲劳损伤的累积而下降。因此，揭示预疲劳损伤对材料力学性能的影响规律与机制具有十分重要的实际意义。
　　本文选取两种典型的面心立方结构金属铝和铜作为研究对象，考察了它们在单向拉伸力学行为中的尺寸效应及预循环变形对粗晶纯铝单向拉伸力学性能的影响。
　　通过对不同厚度粗晶纯铝(0.2-2.0 mm)及纯铜(0.1-2.0 mm)在室温条件下进行应变速率为10-3s-1的单向拉伸发现，随着Rt/d（样品厚度t与晶粒尺寸d的比值）减小，两种材料抗拉强度及均匀延伸率降低，粗晶纯铝的屈服强度变化相对不明显。粗晶纯铝在Rt/d=0.9(t=0.5 mm)和纯铜在Rt/d=3.3(t=0.3 mm)后，抗拉强度下降更加迅速。随厚度的减小，粗晶纯铝近断口区域表面的挤出和侵入现象减轻，颈缩现象也逐渐消失，断口韧窝的数量减少、尺寸变小，厚度为0.3 mm时，断口韧窝消失。纯铜断口的剪切唇区由两相尺寸韧窝组成，两种韧窝的尺寸随厚度减小而越来越接近，且韧窝的数量减少，厚度为0.1 mm时韧窝完全消失。在这两种材料中，当Rt/d＞1时，即在厚度方向上存在多个晶粒，晶界的作用导致拉伸断口表面韧窝的形成。当Rt/d≤1时，即在厚度方向上最多存在1个晶粒，断口表面未形成韧窝。粗晶纯铝单向拉伸后的位错结构由薄样品中的不规则胞结构转变为中等厚度样品中的相对规则位错胞结构，最终演变为厚样品中的亚晶结构。
　　在室温条件下进行应力幅为30 MPa的预疲劳实验发现，随着损伤等级D(Damage，0％-75％)的提高，疲劳样品表面的挤出和侵入现象愈加严重。当D＞20％时，样品表面开始萌生疲劳裂纹。粗晶纯铝的疲劳位错结构在D=5％时由松散的位错缠结及位错胞结构组成，随着损伤等级D的增大，位错胞结构尺寸及胞边界厚度减小，样品中位错密度逐渐提高，当D达到50％时，亚晶形成。经不同损伤等级预疲劳处理粗晶纯铝的抗拉强度随D提高呈现先降低再升高最终急剧降低的趋势，这种变化趋势相似于纯铝在循环变形过程中呈现的“硬化-软化-再硬化”规律。经过预疲劳的粗晶纯铝在拉伸断裂后，其位错结构随着D的升高，亚晶中形成了位错胞结构。相对于其它材料中所表现出的显著低周疲劳锻炼强化现象，预疲劳对粗晶纯铝单向拉伸力学性能影响比较微弱，这归结于亚晶中位错胞结构的形成。
　　经D=5％预疲劳的粗晶纯铝，其抗拉强度及均匀延伸率均随着Rt/d的减小而降低，当Rt/d减小至0.55(t=0.3 mm)时，抗拉强度及延伸率快速下降，这一点与不同厚度粗晶纯铝及纯铜单向拉伸时的表现相似。随着样品厚度的降低，样品表面的挤出和侵入程度变轻，塑性变形程度降低，断口韧窝逐渐消失，当Rt/d≤1.82(t≤1 mm)时，韧窝尺寸、数量急剧减小，当Rt/d=0.36(t=0.2 mm)时，韧窝完全消失。样品拉伸断裂后，在Rt/d＜0.9(t＜0.5 mm)时，微观结构以位错胞为主，同时形成亚晶，且在亚晶内观察到发展不完全的位错胞结构。当Rt/d=3.64(t=2.0 mm)时，微观结构以亚晶为主，在亚晶内仍可观察到发展不完全的位错胞结构。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究概况

1．2．1 纯铝的循环形变行为

1．2．2 纯铜的循环形变行为

1．2．2 预疲劳变形对单向载荷下力学性能的影响

1．2．3 材料变形行为中的尺寸效应

1．3 本论文的研究目的及内容

1．3．1 本论文的研究目的

1．3．2 本论文的研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2．1 实验材料制备

2．1．1 粗晶纯铝材料制备

2．1．2 纯铜材料制备

2．2 实验样品制备

2．2．1 金相样品制备

2．2．2 力学性能实验样品制备

2．2．3 透射电镜(TEM)样品制备

2．3 实验方法

2．3．1 金相观察

2．3．2 预疲劳实验

2．3．3 拉伸实验

2．3．4 表面和断口的观察

2．3．5 微观位错结构的观察

第3章 单向拉伸行为中的尺寸效应

3．1 前言

3．2 金相显微组织

3．3 纯铝单向拉伸形变行为及其损伤特征

3．3．1 样品厚度对单向拉伸力学性能的影响

3．3．2 近断口区域的表面变形特征

3．3．3 断口形貌分析

3．3．4 位错结构分析

3．4 纯铜单向拉伸形变行为及损伤特征

3．4．1 样品厚度对单向拉伸力学性能的影响

3．4．2 断口形貌分析

3．5 本章小结

第4章 预疲劳对粗晶纯铝单行拉伸行为的影响

4．1 前言

4．2 预疲劳对粗晶纯铝单向拉伸行为的影响

4．2．1 不同程度预疲劳后粗晶纯铝样品表面变形特征分析

4．2．2 单向拉伸力学性能与损伤等级D的关系

4．2．3 断口形貌分析

4．2．4 位错结构分析

4．2．5 预疲劳对粗晶纯铝单向拉伸形变行为的分析

4．3 经过D=5％预疲劳粗晶纯铝单向拉伸行为中的尺寸效应

4．3．1 样品厚度对单向拉伸力学性能的影响

4．3．2 近断口区域的表面变形特征

4．3．3 断口形貌分析

4．3．4 位错结构分析

4．4 本章小结

第5章 全文总结

参考文献

致谢