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本文采用改進的電刷鍍技術(shù),制備了高冶金質(zhì)量,具有真正納米晶結(jié)構(gòu)的大塊納米樣品,對電刷鍍納米銅顯微結(jié)構(gòu)等進行了全面表征,利用室溫拉伸和拉伸蠕變、壓縮和壓縮蠕變以及應(yīng)變速率跳躍試驗測定了電刷鍍納米銅的全面力學(xué)性能,重點研究了應(yīng)變速率、變形模式對全面力學(xué)性能的影響,對相關(guān)的塑性變形機制進行了分析。研究工作得到了如下結(jié)論: 1.利用改進的電刷鍍技術(shù)制備了高冶金質(zhì)量,具有真正納米晶結(jié)構(gòu)的大塊納米銅樣品。鍍筆由棉花和丙綸布包裹的不銹鋼(AISI304)構(gòu)成。鍍液由CuSO_4·5H_2O, NH_4NO_3, C_6H_8O_7·H_2O和少量添加劑組成。電刷鍍時鍍液中的[Cu(NH_3)_6]~(2+)絡(luò)合物離子在超電壓的作用下,獲得電子而還原,形成納米銅沉積。沉積層首先以二維形式形核張大,然后以三維方式成長。電刷鍍納米銅沉積結(jié)構(gòu)受基體表面狀態(tài)影響,高的表面質(zhì)量有益于得到高質(zhì)量的納米銅沉積結(jié)構(gòu)。添加劑的使用可控制沉積層的晶粒尺寸,抑制粗大晶粒簇等結(jié)構(gòu)的形成。鍍筆與沉積表面摩擦作用增加形核率,并有凈化表面的作用。適當(dāng)?shù)乜刂浦绷麟妷骸囟取㈠児P運動速度和鍍液流量等工藝參數(shù)可獲得高質(zhì)量的大塊納米銅樣品。 2.利用X-衍射分析、掃描電子顯微鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡,透射電子顯微鏡的設(shè)備,對電刷鍍納米銅表面沉積形態(tài)、顯微結(jié)構(gòu)、成分、密度等進行全面表征工作。結(jié)果顯示,電刷鍍納米銅為等軸晶 粒結(jié)構(gòu),平均晶粒尺寸為26nm,且尺寸分布均勻,主要為大角度晶界結(jié)構(gòu),不存在微觀裂紋和微孔和明顯的晶體織構(gòu),平方根微應(yīng)變?yōu)?.28%。電刷鍍納米銅沉積表面光滑,粗糙度低,具有良好的覆蓋性和平整性。電刷鍍納米銅的密度為8.93g/cm3,純度為99.73wt%。表明研制的電刷鍍納米銅是一種真正意義上的納米晶材料。3.室溫拉伸蠕變實驗顯示,電刷鍍納米銅在低應(yīng)力下發(fā)生Coble蠕變,隨應(yīng)力的增加發(fā)生指數(shù)型蠕變(應(yīng)力指數(shù)為n = 1/m=4.11)。兩種蠕變變形均沒有門檻應(yīng)力。Coble蠕變的最高應(yīng)力對應(yīng)于最低應(yīng)變速率下拉伸屈服強度。高應(yīng)力下(325MPa)的蠕變斷裂是由于較高的蠕變應(yīng)變和缺少應(yīng)變硬化作用所致。室溫拉伸實驗顯示,電刷鍍納米銅具有非常高的應(yīng)變速率敏感性,其值為=0.104,該值為迄今為止所有納米金屬的最高室溫m值。在試驗的應(yīng)變速率范圍,極限抗拉強度從296MPa增加到865MPa,斷裂延伸率從5.6%下降到3.4%,較低的塑性是由于電刷鍍納米銅的大角度晶界結(jié)構(gòu)。變形機制分析表明,電刷鍍納米銅的塑性變形主要由晶界滑移控制,高應(yīng)變速率時還包括位錯交互產(chǎn)生的貢獻。m4.室溫壓縮蠕變實驗顯示,電刷鍍納米銅在低應(yīng)力時發(fā)生Coble蠕變,隨應(yīng)力的增加發(fā)生兩種形式的指數(shù)型蠕變(應(yīng)力指數(shù)分別為=4.41和11.24),后一種蠕變的m值與壓縮試驗第一階段m值非常接近。三種蠕變均沒有門檻應(yīng)力。室溫壓縮試驗顯示,電刷鍍納米銅同樣具有非常高的應(yīng)變速率敏感性,低應(yīng)變速率時的m值為=0.084,高應(yīng)變速率時的m值為0.036;兩個應(yīng)變速率區(qū)的流變應(yīng)力激活體積n =1/mmν?分別為6.4b3和9.7b3。應(yīng)變速率跳躍試驗測得的m從0.18連續(xù)下降到0.018,ν?從4.6b3連續(xù)增加到33b3。在試驗的應(yīng)變速率范 圍,對應(yīng)2%塑性應(yīng)變的強度從664MPa增加到1516MPa,后者是迄今為止所有純銅最高的強度值。在高應(yīng)變,電刷鍍納米銅表現(xiàn)出明顯的流變軟化現(xiàn)象,其軟化程度與應(yīng)變速率有關(guān)。變形機制分析表明,在低應(yīng)變速率,塑性變形主要由晶界機制控制;在高應(yīng)變速率,塑性變形主要由位錯機制控制。這種變形機制轉(zhuǎn)變源于應(yīng)變速率對熱激活作用的壓制。隨應(yīng)變速率的增加,晶界機制作用的減小,位錯機制貢獻的增大導(dǎo)致大的強度增量,高應(yīng)變速率時非常高的強度說明位錯機制非常強的強化作用。高應(yīng)變速率時的加強流變軟化現(xiàn)象是由于絕熱局部熱軟化作用。
