毕业设计开题报告
超细晶材料因为细小的晶粒、高密度晶界及晶界原子邻近情况决定性能发生一系列巨大而有益的变化，具有非常独特的力学、电学、磁学、光学等性能[1]。研究表明，当晶粒尺寸小于1 时，晶粒细化的强度作用将大大超过加工硬化或析出强化的作用[2]。正由于超细晶材料的众多令人心动的特性，它已经成为了跨世纪的新学科，是国际科学界、工程技术界关注的热点。目前超细晶材料已在食品、化妆品、医疗、保健、农业、工业、印刷、电子通讯、环保、交通、建筑、国防、核计术等方面得到或正在得到越来越广泛的应用。近些年来已经提出了大量的超细晶材料的合成技术[3]。
深度塑性变形(SPD，Severe Plastic Deformation)具有强烈的细化晶粒的能力，而且克服了块体超细晶材料制备稳定性方面问题，回避了粉体压制成块体的难题，可以直接制备出大体积超细晶金属材料，因此成为各国学者研究的焦点[5]。但是在室温下对块体纯铜进行SPD处理时，材料通常具有高的强度但塑性相对较低[6-8]。这主要是由于超细晶/纳米晶材料不能够继续吸收位错，位错增殖能力降低而导致应变硬化能力降低[8-10]。虽然目前已经在一些材料中观察到了非常好的机械性能[9-12]，但人们对他的微观机理并不十分清楚。因此怎样使材料同时具有高的强度和良好塑性等综合力学性能，依然是一个重要的难题。本课题将对该问题，进行初步的探索研究。
等径角变形技术（equal channel angular pressing，ECAP）是通过将试样放入横截面形状完全相同、并成一定角度的弯曲通道中, 试样在压力作用下通过通道时, 在通道弯曲处产生一定量均匀的纯剪切变形。材料在发生大塑性变形的同时，其形状尺寸基本不发生改变，因此可以进行多道次的挤压，从而使材料获得相当大的累积变形量，使材料的组织和物理性能发生显著变化，获得超细晶材料[13]。 ECAP工艺具有以下特点：(1)试样形状在挤压后保持不变，因而可以反复挤压产生大的应变；(2)能够加工大体积试样并获得纳米晶/(超细晶)组织；(3)有助于消除材料和初始组织中的缺陷[13]。因此ECAP法是一种很有前景的纳米晶/超细晶材料的制备方法[14-17]。另外，试验结果表明，ECAP通道夹角对晶粒细化具有显著影响，只有使用通道夹角接近于90o的模具并通过多道次变形才能获得被大角度晶界分离的、基本上是等轴晶粒的特细显微组织[18]。由于该方法的这些优点，这种方法为本样品制备的第一工序并且实验采用的模具通道夹角为90o。
位错滑移和变形孪晶是面心立方铜的两种典型塑性变形方式。位错运动是热激活过程，多晶铜在室温或者以上温度变形时，通过位错的增殖和位错重构形成不同形式的位错特征组织，主要包括位错胞，位错墙等[19]。然而，在低温下变形时，位错增殖和位错重构将被抑制，这有利于变形孪晶的形成。另外，大的塑性变形量是另一个促进变形孪晶形成的因素。由于铜中变形孪晶形核需要很高的局部应力，为了达到这样高的局部应力，需要足够的应变硬化[20-21]，故随着应变的增加，越来越多的晶粒可以通过应变硬化达到变形孪晶所需要的临界应力。因此随着塑性变形量的增加，孪晶的作用越来越显著。这一结论已经在试验中得到了证明，对块体纯铜在低温下进行大塑性变形时能观察到大量的变形孪晶以捆绑束的形式存在于一些变形晶粒中形成孪晶/基体（twin/matrix, T/M）薄片束，并且随着变形量的增加T/M薄片束体积分数逐渐增大呈饱和趋势[19]。本课题采用液氮冷轧的方式，实现低温下的大塑性变形，获得层状孪晶组织。
再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺[22]。通过ECAP和液氮冷轧制备的纳米晶/超细晶样品由于发生大的塑性变形而具有大量缺陷（包括空位、位错、孪晶、晶界等），这些缺陷阻碍位错增殖与运动，使材料的应变硬化能力显著降低，材料的塑性也显著降低，而退火正是消除这些显微组织缺陷的常用办法。通过退火使材料发生回复和部分再结晶获得双晶组织（在纳米晶基体中嵌入粗晶）。正如霍尔佩奇关系所推测的那样，纳米晶基体使材料强度显著提高；同时，发生再结晶后的粗晶引入了应变硬化机制[23-26]，提高了材料的延伸率（断裂延伸率能达到65%，均匀延伸率能达到30%）[27]。因此控制双晶组织中粗晶的晶粒大小和体积分数可以提高材料的韧性[27]。故本课题通过控制显微组织的再结晶分数，在牺牲部分强度的前提下尽可能的提高塑性，找到最佳的再结晶分数（韧性最高）。
在变形过程中材料发生显著的显微组织演化，包括位错增殖和重构，变形孪晶的形成，孪晶/基体薄片束和薄片束中的剪切带的形成。纳米晶的形成可能有三种情况：在纯铜中形成的纳米级孪晶/基体薄片在随后的变形过程中破碎和旋转，形成纳米晶 ；在变形过程中，在孪晶/基体薄片中出现剪切带，随着变形的增加，剪切带增厚，在剪切带中形成纳米晶；在孪晶/基体薄片之外还存在一些纳米孪晶，这些纳米晶是从位错胞进化而来的[19]。
参考文献：
[1]杨剑．纳米材料综述．材料导报．1997，11(2)：6～10.
[2] Gertsman V Y, Birringer R, Valiev R Z, et al. On the structure and strength of ultrafine-grained copper produced by severe plastic deformation[J]. Scripta Metallurgica Et Materialia, 1994, 30(2):229–234.
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