Cu-Mn和Cu-Ni合金的高温拉伸行为研究 ——层错能和短程有序结构的共同影响

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材料的塑性变形机制长久以来受到研究者们的广泛关注,层错能(SFE)和短程有序结构(短程序SRO或短程簇SRC)被认为是影响面心立方(FCC)金属晶体滑移方式的主要因素。而变形温度这一变量的引入,不仅会提高金属材料本身的SFE值,也会改变合金中的短程有序结构含量。因此,SFE和短程有序结构的综合性变化对金属材料高温塑性变形机制的影响是不容忽视的,然而有关这方面的研究还少见报道。为了系统揭示两者对金属高温变形行为的综合影响,本文选取Cu-Mn和Cu-Ni合金作为研究对象,对其进行高温拉伸变形研究,并利用扫描电子显微镜以及透射电子显微镜对高温拉伸变形后的微观结构进行观察表征,为进一步完善FCC金属材料高温塑性变形行为及其微观机理的认识提供有益的参考。Cu-Mn合金的高温拉伸实验结果表明,不同Mn含量(5、10、20 at.%)的Cu-Mn合金发生动态应变时效(DSA)的区间分别为200~350℃、150~300℃、100~300℃。Cu-Mn合金的屈服强度随着变形温度的升高略微降低。抗拉强度与均匀延伸率(或塑性)表现出随变形温度升高而整体降低的趋势。100~250℃的温区内由于DSA与SRO的共同强化作用,抗拉强度和均匀延伸率几乎不随温度发生变化(其中Cu-5at.%Mn合金由于SRO含量较低且对应DSA出现的温度较高,轻微降低);250~400℃的温区内抗拉强度和均匀延伸率随温度升高明显降低。Cu-5at.%Mn合金在不同变形温度下的位错结构分别为:位错胞与位错胞块(RT~100℃)、位错胞块和长直位错墙(150~250℃)、较大尺寸的位错胞和位错胞块(300~400℃)。位错胞的尺寸随着变形温度的升高而增大,引起材料抗拉强度与塑性的大幅降低,而长直位错墙可以起到缓解局部应变集中以及提高材料硬化能力的作用,使合金在温度升高的同时保持较高的强度与塑性。Cu-10at.%Mn合金在不同变形温度下的位错结构分别为:位错胞与平面滑移带共存(RT~100℃)、位错胞和类平面滑移带(150~250℃)、较大尺寸的位错胞(300~400℃)。位错胞的尺寸随着变形温度的增加(SFE增高)而增大,导致材料抗拉强度与塑性的降低。而类平面滑移带(SRO含量高)可以有效抑制位错交滑移的开动,提高位错储存能力。因此Cu-10at.%Mn合金抗拉强度和塑性下降的趋势有所缓解。Cu-20at.%Mn合金在不同变形温度下的位错结构分别为:典型的平面滑移带(RT~100℃)、平面滑移带和位错胞共存(150~300℃)、尺寸较小的位错胞以及胞块(350~400℃)。温度升高引起SFE增高,促进了位错的交滑移,使得位错结构由平面滑移带转变为小尺寸位错胞,导致合金抗拉强度与塑性的下降。这种与位错胞共存的平面滑移带(SRO含量高)可以抑制平面滑移带向位错胞及位错胞块转变,从而抵抗该合金抗拉强度和塑性的下降。Cu-Ni合金的高温拉伸实验结果表明,Cu-5at.%Ni、Cu-10at.%Ni和Cu-20at.%Ni合金发生DSA的温度为200和250℃。SRC与溶质原子共同与位错的相互作用导致了 Cu-Ni合金发生DSA。抗拉强度和屈服强度均随变形温度的升高而降低,均匀延伸率也呈现出随着变形温度的升高而降低的趋势。由于Cu-Ni合金的SFE值较高,而温度升高会进一步增加其SFE。因此,除Cu-20at.%Ni合金在200℃的位错结构由类平面滑移带与少量胞壁松散的位错胞组成外(SRC含量高,促进位错的平面滑移),其它温度下Cu-Ni合金的位错结构仍然呈现出典型的波状滑移型位错结构。
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