晶界特性对搅拌摩擦加工超细晶铜力学行为的影响

超细晶金属材料虽然具有高强度，但由于细小晶粒内部存储位错能力低，造成应变硬化缺失，因而均匀延伸率几乎为零。超细晶材料变形机制以位错与晶界的相互作用为主，有研究认为高角晶界比小角晶界能更有效地阻碍位错运动并可能发生滑移，从而提高材料的应变硬化能力，但缺少直接的实验证据。本项目拟采用纯铜及其单相合金作为研究对象，利用FSP工艺制备出含低位错密度、弱织构和高比率高角晶界的超细晶模型材料。采用EBSD技术获得不同加工条件下高角晶界分布的统计数据。采用拉伸、压缩及疲劳实验，获得各种力学行为数据。对变形样品进行微观结构分析，获得晶界特性、晶粒尺寸与形态的演化及位错运动与高角晶界交互作用的信息。通过这些深入研究，揭示晶界特性对超细晶材料力学性能的影响规律，加深对高角晶界在塑性变形过程中作用的理解，探讨通过改变晶界特性提高超细晶材料力学性能的可能性，从而为纳米结构材料的晶界优化设计提供理论依据。

以不同纯度的T3、T1和TU1等商业纯铜为研究对象，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纯铜，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。相对于粗晶纯铜，FSP超细晶纯铜的强度，尤其是屈服强度有了明显的提高，且具有较高的拉伸塑性，获得了良好的强韧性匹配。通过多道次搭接FSP，可制备出大面积超细晶材料，且过渡区的组织和力学性能与单道次加工区相比变化不大。对不同晶界特性的超细晶纯铜拉伸及疲劳性能的对比研究表明，晶界特性对其力学行为具有重要的影响。由于小角晶界不能有效地阻碍位错运动，大尺度的滑移带和剪切带很容易在冷轧态纯铜的变形过程中形成。对于严重塑性变形制备的超细晶纯铜，虽然高角晶界比例有所提高，但局部仍会形成大尺度的剪切带，从而使裂纹优先萌生。FSP超细晶纯铜中广泛分布的高角晶界则有效抑制了大尺度剪切带的形成，在拉伸和疲劳过程中以晶界相关活动和挤出为主要变形机制，从而提高了强韧性和疲劳性能。通过加入合金元素铝降低铜层错能的方式，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Cu-Al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。本研究揭示了晶界特性对超细晶材料力学性能的影响规律，加深了对高角晶界在塑性变形过程中作用的理解，为超细晶材料的晶界优化设计提供了理论依据。