脉冲电流作用下Cu-40%Zn合金相变过程中微观组织及晶体学特征的研究

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近些年,人们针对脉冲电流处理技术对传统的Cu-Zn合金材料的微观组织结构与性能优化等开展了广泛的研究。已经探明该类材料性能的优化源于脉冲电流处理技术作用下材料内组织结构的演变,尤其是脉冲电流诱发的固态相变。然而迄今为止,关于脉冲电流诱发的Cu-Zn合金固态相变的研究仅局限于微观组织结构的表征及性能的测试。有关脉冲电流诱发的Cu-Zn合金固态相变晶体学特征的研究,仅发现了母相与子相之间基本符合44.3°/<114>轴角对关系这一个现象。到目前为止,没有相关系统的研究和深入的分析,因而极大制约了人们对脉冲电流诱发的固态相变的认知。为此,本论文通过系统的实验表征和晶体学分析计算,详细研究了不同密度的脉冲电流作用下Cu-40%Zn合金中α到β的结构转变过程,综合分析了其微观组织结构的演变、取向关系的选择、α母相中晶内缺陷的类型、β析出相中纳米级六方结构的特征以及相对应的结构转变路径问题。主要研究结果如下:(1)在脉冲电流诱发的α到β升温相变过程中,大量细小的β析出相形成并保留到了室温。在低密度(jmax=15.66 kA/mm2)脉冲电流作用下,β析出相仅在α相大角度晶界形核;随着脉冲电流密度的增加,β析出相逐渐在α相晶内及Σ3晶界形核,且其含量也随之明显增加。随着β析出相形核位置的改变,它与α相之间相变取向关系也发生了改变。在α相晶界生成的β析出相与α相符合K-S取向关系;在α相晶内生成的β析出相与α相符合N-W取向关系。研究发现脉冲电流处理前,在α相晶界有{111}α/<110>α型位错列存在;在α相晶内有{111}α/<112>α型层错存在。分析不同取向关系下α到β结构转变过程中晶格畸变发现:在K-S取向关系下,最大的晶格畸变是{111}α/<110>α切变;在N-W取向关系下,最大的晶格畸变是{111}α/<112>α切变。因此,脉冲电流处理前α相晶界上存在的{111}α/<110>α型位错为符合K-S取向关系的β析出相形核提供了有利的预应变;α相晶内存在的{111}α/<112>α型层错为符合N-W取向关系的β析出相提供了有利的预应变。(2)不同密度的脉冲电流作用下α相晶内存在不同的晶体缺陷类型。在低密度(jmax=15.66kA/mm2)脉冲电流作用下,大量{111}<112>型层错和纳米孪晶在α相晶内生成。在高密度(jmax=17.01 kA/mm2)脉冲电流作用下,在α相晶内出现由β析出相诱发生成的位错网。这种位错网是由{111}α/<110>α全位错和弗兰克位错组成。借助变形矩阵分析α到β结构转变过程中晶格错配与位错的关系,发现α相沿着[110]α方向膨胀诱发了{111}<110>全位错在β析出相的{311}α柱面前侧产生;α相沿着[110]α方向收缩诱发了弗兰克位错在β析出相{121}α柱面前侧产生。因此,上述两种位错列在β析出相柱面的交界处相遇从而形成位错网。(3)脉冲电流诱发生成的β析出相内还存在两种通过原子重组和位移共生形成的纳米尺寸的六方结构(n和ω)。它们分别与β析出相符合Burgers取向关系和Blackburn取向关系,且都需要经过两步的原子位移和重组形成。其中,形成η结构的第一步是原子在每第二个{110}β晶面<110>β方向上位移形成正交结构;第二步则是通过在{112}β晶面<111>β方向上的原子切变,同时伴随着在切变平面的法线方向(<112>β)、切变方向(<111>β)和垂直于这两个方向的方向矢量(<110>β)上的微弱的正应变得以完成结构转变。形成ω结构的第一步则是原子在每第二个和第三个{112}β晶面上沿着±[111]β方向重组得以形成一种六方过渡结构;第二步则是通过<111>β、<112>β和<110>β三个方向上的正应变得以形成最终的六方结构。在β析出相中生成η和ω六方结构的过程中,ω结构和η结构共同产生可以有效地抵消彼此的体积膨胀和收缩效应,从而使的β析出相整体的晶格畸变能最小化。上述研究结果丰富了对脉冲电流诱发的Cu-40%Zn合金固态相变中组织结构演变和晶体学特征的认识,解释了该合金中晶体缺陷对固态相变取向关系的影响和固态相变诱发的不同晶体缺陷的形成机制,加深了人们对体心立方结构到六方结构转变机制的理解。
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