搅拌摩擦加工超细晶铜铝合金的疲劳损伤机制研究

Enhanced strength and ductility have been achieved by introducing abundant twin boundries (TBs) into the ultra-fine grained (UFG) materials. However, the investigation of fatigue deformation behaviors on these new UFG materials is relatively lacked, due to various reasons, such as the limited sample scale and the unstable microstructure. In this project, four UFG Cu-Al alloys with different Al contents, will be prepared by friction stir processing (FSP). Stable microstructure with uniform equiaxed grains will be achieved in FSP UFG Cu-Al alloys, and abundant annealing TBs are expected to be introduced into the ultrafined grains. Stress and strain controlled fatigue tests will be performed on these new UFG materials in order to investigate their fatigue deformation behaviors. Based on the investigation of the typical damage morphologies on the fatigued surfaces and the releated microstrucrure evolution, the relationship between dislocations and high angle grain boundaries and TBs during cyclic deformation will be further understood, and the fatigue damage mechanism of FSP UFG Cu-Al alloys is expected to be well explained. Meanwhile, new methods of improving the fatigue properties of UFG materials via adjusting the microstructure will be discussed.The results of this project will provide essential experimental data and theory support for the optimal design on the microstructure of the UFG materials.

在超细晶基体中引入高密度的孪晶界可显著提高材料的强度和塑性。然而由于材料尺寸限制、组织结构失稳等原因，限制了对这种新型超细晶材料疲劳变形行为的深入研究。本项目以四种不同铝含量的铜铝合金为研究对象，采用搅拌摩擦加工(FSP)技术制备具有均匀稳定的等轴晶组织并含有高密度退火孪晶界的超细晶铜铝合金，作为模型材料分别进行应力和应变控制的疲劳性能实验，研究这种新型超细晶材料的疲劳变形行为。通过对样品表面典型的疲劳损伤形貌和内部微观组织演变的深入研究，加深理解超细晶范围内高角晶界及孪晶界在循环变形过程中与位错的交互作用行为，揭示FSP超细晶铜铝合金的疲劳损伤机制。探讨通过调整微观组织结构提高超细晶材料疲劳性能的可行性，为超细晶材料的结构优化设计提供实验依据和理论指导。

超细晶铜合金由于独特的组织和性能引起了广泛的关注，然而由于在循环变形过程中易发生应变局部化和动态再结晶致使产生大尺度剪切带和严重粗化的晶粒，限制了对这种新型超细晶材料力学行为尤其是疲劳变形行为的深入研究。本项目以不同铝含量（0、5、10、15 at.%）的铜铝合金为研究对象，在强制水冷条件下，采用低热输入参数，利用搅拌摩擦加工(FSP)工艺制备出了具有高比率高角晶界的超细晶铜铝合金，其位错密度较低，织构较弱，是研究超细晶材料力学行为的理想模型材料。通过加入合金元素铝降低层错能的方式，采用FSP在超细晶铜基体中引入了丰富的特殊晶界(Σ3孪晶界)，大大提高了铜铝合金的强韧性。对于FSP Cu-15Al超细晶合金，在抗拉强度高达700 MPa时仍然具有高达13%的均匀延伸率。通过与冷轧态及严重塑性变形（SPD）态超细晶铜合金的对比研究表明，FSP超细晶铜铝合金中均匀稳定的组织以及广泛分布的高角晶界有效抑制了局部变形，应力和应变控制的高、低周疲劳过程中均未发现大尺度的剪切带和严重的晶粒粗化，层错能较高（Cu-0Al）时，疲劳损伤主要以挤出机制为主，随着层错能的降低，位错滑移逐渐由波状滑移向平面滑移转变，从而其疲劳损伤逐渐转变为以晶粒内部与孪晶面平行的剪切带为主。在超细晶尺度内，疲劳裂纹主要沿晶界萌生，位错相关的活动仍然占主导，但仅局限于超细晶内部，没有形成SPD超细晶中常见的规则位错结构。本研究揭示了FSP超细晶铜铝合金的疲劳损伤机制，加深了晶界特性及层错能对超细晶材料力学性能的影响规律，为超细晶材料的结构优化设计提供实验依据和理论指导。