不同晶粒尺寸铜锌合金高、低周疲劳损伤机制与性能研究

Bulk Cu and Cu-Zn alloys samples with different grain sizes (coarse-grained (CG), fine-grained (FG) and Ultrafine-grained (UFG)), will be prepared using cold rolling, equal-channel angular pressing (ECAP), high pressure torsion (HPT) and appropriate annealing treatment to investigate the influencing mechanisms of grain size and stacking fault energy (SFE) on the tensile and high/low cycle fatigue properties. The surface damage morphologies will be observed using SEM, and the extrusion height and distribution of slip bands and shear bands on the sample surface will be measured using laser focal microscope or stereo microscope after fatigue tests. The grain sizes and microstructural evolution of these materials could be observed by TEM before and after fatigue tests; and the vacancy concentration and the dislocation density of the microstructures will be measured by the positron annihilation technique after fatigue for different cycles. According to these experimental results, the influence of microstructure (grain size) and alloying element contents (SFE) on the deformation and damage micro mechanisms of Cu and Cu-Zn alloys could be analyzed, and the effective ways to optimize the fatigue properties of UFG materials will be proposed, which may provide theoretical direction for designing and developing high-strength metallic materials with optimized fatigue properties.

以含有不同锌含量的铜锌合金为研究对象，采用冷轧、等通道转角挤压（ECAP）、高压扭转（HPT）技术以及适当的热处理工艺制备具有不同晶粒尺寸（粗晶、细晶和超细晶）的大块铜及铜锌合金样品，分别对其进行组织观察、拉伸实验和高、低周疲劳实验。采用扫描电镜观察研究拉伸与疲劳变形前后样品表面损伤形貌，并利用激光共聚焦和体视显微镜观察分析表面滑移带和剪切带的挤出高度与分布；采用透射电镜观察样品拉伸和疲劳变形前后的微观组织演化；应用正电子湮灭技术测量疲劳不同周次下组织的空位浓度和位错密度。以此来研究微观组织（晶粒尺寸）与合金含量（层错能）对铜及铜锌合金变形与损伤微观机制的影响，提出优化超细晶材料疲劳性能的有效途径，为设计和发展具有高强度、优良疲劳性能的金属合金材料提供实验证据与理论指导。

通过对不同晶粒尺寸Cu-Zn合金高周、低周疲劳行为的研究，系统揭示了与位错变形机制相关的层错能及与屈服强度相关的晶粒尺寸对疲劳损伤机制及最终疲劳寿命的影响。主要取得以下四部分研究成果：1) 揭示了位错滑移方式及晶粒尺寸对铜锌合金高周疲劳强度的影响规律，提出了通过综合调整位错滑移方式与控制晶粒尺寸来优化材料疲劳强度的途径；2) 揭示了晶粒尺寸和层错能对材料低周疲劳寿命的影响规律，建立了超细晶材料低周疲劳寿命与循环软化速率之间的定量关系，为超细晶材料疲劳寿命评估与预测提供定量理论；3) 揭示了超细晶在循环变形过程中的基本损伤机制——剪切带的形成机制及其与晶粒长大的关系，并提出通过调整位错滑移方式来改善超细晶材料的变形均匀性，从而减小其应变局部化程度，最终提升疲劳性能的有效途径；4) 将模型材料的研究成果和思路推广到工程材料TWIP钢中，通过调整间隙元素C的含量以及预变形来减缓疲劳损伤程度，成功实现了TWIP钢材料高周疲劳强度的有效提升及裂纹扩展速率的有效降低。这些研究成果对工程材料疲劳性能的预测与优化具有重要指导价值。