连续柱状晶组织Cu-12Al合金的塑性变形行为和机理

定向凝固方法制备的连续柱状晶组织Cu-12Al合金具有高弹性、高导电性、高塑性等优异的综合性能。其弹性模量可达168GPa，比铍青铜QBe2高30%；室温拉伸延伸率达到20％，是普通铸造高铝青铜合金QAl11-6-6的2.5倍。本项目拟通过对连续柱状晶组织Cu-12Al合金塑性变形行为和机理的深入研究，阐明连续柱状晶组织Cu-12Al合金具有高塑性变形能力的本质原因。重点研究连续柱状晶组织Cu-12Al合金在塑性变形过程中微观组织和织构的演化; 塑性变形过程中相变-形变的交互作用规律。着重解决连续柱状晶材料塑性变形过程中位错与晶界的作用机制，相变与形变的精确控制，柱状晶晶界在变形过程中的协调作用等基础科学问题。阐明连续柱状晶组织与合金塑性性能的内在联系，发展连续柱状晶材料的变形理论。本项目的研究结果不仅可为高性能高铝青铜材料的高效制备加工提供理论指导，也可为发展材料变形理论作出贡献。

本项目经过3年的研究工作，完成了项目计划中的全部研究内容。并在原有研究内容所获结果的基础上，进一步开展了连续柱状晶（CCG）组织Cu基形状记忆合金（SMA）超弹性显著提升机制研究和CCG组织合金力学行为的极端各向异性研究。项目取得的主要研究成果如下：.1. 阐明了CCG组织显著提升低塑性难加工Cu-12Al(wt.%)合金室温塑性的相关机制。具有单一β1’马氏体相的CCG多晶Cu-12Al合金各晶粒沿轴向一致的<001>β生长织构，发生形变和相变时晶粒间的应变不协调较小，在晶界处引起的应力集中较小，从而有效避免了低应力下的晶间断裂。抑制脆性相析出、织构增强形变、低能晶界特征与晶界应变协调是CCG组织合金获得高室温塑性的重要原因。2. 发现了CCG组织马氏体Cu-12Al合金相变-形变的相互促进作用。拉伸与拉拔变形时发生马氏体再取向，β1’马氏体相的基面向力轴转动，促进了β1’至α1’马氏体相变的完成。而马氏体相变的完成使得材料的晶体学对称性提高、滑移系数目增多，从而促进了进一步变形。该发现为提升应力诱导相变合金的变形能力提供了途径。3. 将相变-形变的相互促进作用理论应用于提升多晶Cu-Al-Mn SMA的超弹性。CCG多晶Cu-Al-Mn的超弹性从普通多晶组织合金的3%显著提高到10.1%以上，卸载后的残余应变小于0.3%，显示出优异的超弹性性能。进一步证明了CCG组织可大幅提升金属材料，特别是应力诱导相变材料的力学性能，为高性能多晶Cu基SMA的组织设计提供了新的思路。4. 研究了CCG组织Cu-Al-Mn的力学行为各向异性。当拉伸方向与凝固方向成不同角度(0°~ 90°）时，CCG 组织Cu-Al-Mn试样的超弹性表现出超大各向异性，是单晶体超弹性各向异性的1.25倍。当沿凝固方向拉伸时，其超弹性达到16%，与单晶相当，但马氏体相变临界应力σMs为258.5MPa，是单晶的2~3倍；沿垂直凝固方向σMs与普通多晶相当，但超弹性是其2倍；而沿45°方向超弹性与普通多晶相当，但σMs达到521.9MPa以上是普通多晶的~1.5倍，展现出高超弹性和高强度。CCG组织Cu-Al-Mn合金超弹性的超大各向异性由晶粒取向和晶界共同作用产生。其中晶界对超弹性各向异性的影响具有明显的取向依赖性，与晶粒取向依赖性作用叠加，使CCG合金超弹性各向异性超过单晶体。