（材料加工工程专业论文）2195铝锂合金在动态加载过程中的微观结构演变.pdf

原创挂声瘸 本人声明，所呈交蠹勺学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文喇特别加以标注翻致谢的 遣方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书市使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 攀话盟 圈期：衄_ 兰竺年土月尘日 学饿论文版权使用援氟书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文麴规定，鬻：学校有 权保留学位论文并根据圆家或潮南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阕；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩窜或其它手段保存学位论文。同时授权中圆科 学挞术信息研究所将本学位论文收录到带国学位论文全文数据库， 并通过网络赢社会公众提供信息服务。 作者签名：乓蟛导师签名：胎期：二姿月 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 利用分离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 技术对自然时效态2 1 9 5 铝 锂合金帽型试样进行动态加载，利用采集到的应变脉冲信号计算动态 加载过程中的热力演变历程。利用透射电镜( ! m ) 研究动态加载 前后基体和剪切带的微观结构和析出相变化情况。结果表明：在动态 加载过程中，在剪切区域形成了绝热剪切带，剪切带边部为拉长的亚 晶，剪切带中部的晶粒呈纳米等轴状，剪切带内没有观察到析出相及 位错墙，剪切带内的晶粒发生了再结晶。 利用s h p b 技术对t 6 峰时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样进行动态 加载，利用采集到的应变脉冲信号计算动态加载过程中的热力演变 历程。利用透射电镜研究动态加载前后基体和剪切带内的微观结构和 析出相变化情况。结果表明：在动态加载过程中，在剪切区域形成了 绝热剪切带，剪切带边部为拉长的亚晶，剪切带中部的晶粒呈纳米等 轴状，剪切带内没有观察到析出相，剪切带内的晶粒发生了再结晶。 对自然时效态和t 6 峰时效态的绝热剪切带进行对比。 自然时效态和t 6 峰时效态2 1 9 5 铝锂合金中绝热剪切带的微观结 构具有相同的形貌特征。利用旋转式动态再结晶( i r ) 机制来解释 绝热剪切带内晶粒细化动力学上的可能性。提出析出相的溶解模型来 解释动态加载过程中绝热剪切带内析出相的溶解过程。 关键字绝热剪切带，动态再结晶，析出相溶解，2 1 9 5 铝锂合金 i 本研究得到国家自然科学基金( 编号：5 0 9 7 11 3 4 ) 和爆炸科学与工程国家重点实验室开放基 金重点项目( 编号：k f j j 0 9 1 ，k f j j l 2 1 z ) 的资助。 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) w a su s e df o rd y n a m i cl o a d i n g i nh a t - s h a p e ds p e c i m e no fn a t u r a la g i n g219 5a l u m i n u m - l i t h i u ma l l o y t h et h e r m a l m e c h a n i c a l p a r a m e t e r sd u r i n gd y n a m i cl o a d i n gw e r e c a l c u l a t e d b yd y n a m i cl o a d i n gv o l t a g ep l u s t i m ec u r v e t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r e c i p i t a t ee v o l u t i o nw i t h i ns h e a rb a n dw e r es t u d i e d b ym e a n so ft e m t h er e s u l ts h o w st h a ta d i a b a t i cs h e a rb a n df o r m e di n s h e a rz o n ed u r i n gd y n a m i cl o a d i n g i nt h eb o u n d a r yo fs h e a rb a n d e l o n g a t e ds u b g r a i n s w e r eo b s e r v e da n d e q u i a x e dn a n o g r a i n s w e r e o b s e r v e di nt h ec e n t e ro fs h e a rb a n d n op r e c i p i t a t e sa n dd i s l o c a t i o n w a l l sw e r eo b s e r v e dw i t h i ns h e a rb a n d r e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e dw i t h i n s h e a rb a n d s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) w a su s e df o rd y n a m i cl o a d i n g i nh a t - s h a p e ds p e c i m e no ft 6p e a ka g i n g219 5a l u m i n u m - - l i t h i u ma l l o ) r t h et h e r m a l m e c h a n i c a l p a r a m e t e r sd u r i n gd y n a m i cl o a d i n g w e r e c a l c u l a t e d b yd y n a m i cl o a d i n gv o l t a g ep l u s t i m ec u r v e t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r e c i p i t a t ee v o l u t i o nw i t h i ns h e a rb a n dw e r es t u d i e d b ym e a n so ft e m t h er e s u l ts h o w st h a ta d i a b a t i cs h e a rb a n df o r m e di n s h e a rz o n ed u r i n gd y n a m i cl o a d i n g i nt h eb o u n d a r yo fs h e a rb a n d e l o n g a t e ds u b g r a i n sw e r eo b s e r v e da n de q u i a x e dn a n o g r a i n sw e r e o b s e r v e di nt h ec e n t e ro fs h e a rb a n d n op r e c i p i t a t e sw e r eo b s e r v e d w i t h i ns h e a rb a n d r e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e dw i t h i ns h e a rb a n d t h e a d i a b a t i cs h e a rb a n dw e r ec o m p a r e db e t w e e nn a t u r a la g i n ga n dt 6p e a k a g i n gs t a t u s t h em i c r o s t r u c t u r ew i t h i na d i a b a t i cs h e a rb a n do fn a t u r a la g i n ga n d t 6p e a ka g i n g219 5a l u m i n u m - l i t h i u ma l l o yh a v et h es a m em o r p h o l o g y r o t a t i o n a l d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( r d r ) m e c h a n i s mw a su s e dt o e x p l a i nt h ep o s s i b i l i t yo fg r a i n sr e f i n e m e n tw i t h i na d i a b a t i cs h e a rb a n di n k i n e t i c s ad i s s o l u t i o nm o d e lo fp r e c i p i t a t ew a ss u g g e s t e dt oe x p l a i nt h e d i s s o l u t i o np r o c e s so f p r e c i p i t a t e si na d i a b a t i cs h e a rb a n dd u r i n gd y n a m i c l o a d i n g i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s a d i a b a t i cs h e a r b a n d ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ， d i s s o l u t i o no f p r e c i p i t a t e s ，2 19 5a l u m i n u m l i t h i u ma l l o y i i i 中南大学硕士学位论文目录 目录 第一章文献综述1 1 1 绝热剪切现象1 1 2 绝热剪切带内的微观组织结构演化机制2 1 2 1 经典再结晶理论2 1 2 2 动态再结晶新理论3 1 3 晶粒细化7 1 4 析出相的溶解8 1 4 1 析出相溶解现象8 1 4 2 析出相溶解机理研究8 1 5 本文的研究内容及意义1 0 1 5 1 研究内容1 0 1 5 2 研究意义。1o 第二章实验材料和方法1 2 2 1 实验材料1 2 2 2 试验方法1 3 2 2 1 动态加载实验1 3 2 。2 2 金相显微分析一1 4 2 2 3 显微硬度测试。1 4 2 2 4 透射电子显微分析1 4 第三章自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样的微观结构演化1 5 3 1 热力参量_ 1 5 3 2 加载前后的微观组织结构1 8 3 3 绝热剪切带的微观组织结构2 0 3 4 显微硬度变化o 。2 2 3 5 本章小结2 3 第四章t 6 时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样的微观结构演化2 4 4 1 热力参量2 4 4 2 加载前后的微观组织结构2 6 4 3 剪切带的微观组织结构2 9 4 4 显微硬度变化3 2 4 5 本章小结3 3 第五章剪切带内的微观结构演变机制3 5 5 1 绝热剪切带内部的晶粒细化机制3 5 5 2 绝热剪切带内的析出相溶解3 9 5 3 本章小结4 1 第六章结论4 3 参考文献：4 5 1 v 中南大学硕士学位论文 目录 致谢5 2 攻读学位期间主要的研究成果：5 3 v 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 绝热剪切现象 第一章文献综述 绝热剪切( a d i a b a t i cs h e a r i n g ) 是材料塑性变形局域化的一种常见形式，通常 在大应变和高应变速率( 1 0 3 s ) 变形过程中产生。绝热剪切现象普遍的存在于 冲击载荷作用下的塑性变形过程中，如爆炸复合【”】、侵彻 4 1 、高速撞击【5 8 】、切 削【9 】等，在多种材料中( 如金属、岩石、塑料等) 均发现了绝热剪切现象。因为 塑性变形过程中的应变速率很高，塑性变形过程中产生的热量来不及散失，从而 近视的认为局域化的剪切变形过程是一个绝热过程，所以才叫绝热剪切。另一方 面，剧烈的剪切变形高度集中于剪切变形区这个狭小的区域内。变形过程中的塑 性变形所产生的能量大部分转化为热量引起剪切变形区内的温度升高，局域化的 塑性变形演变发展形成绝热剪t ：j j 带- v o , n 】。绝热剪切变形的整个变形过程持续的时 间很短，而剪切区域相对于整个材料来说很小，变形过程中的剪切应变高度集中 于剪切变形区这个狭小的区域内，变形过程中的塑性应变产生的能量大部分转化 为热量，热量来不及散失，从而引起剪切变形区的温度迅速升高。变形终止后， 绝热剪切带周围相对较冷的基体成为冷却源，绝热剪切带内由于塑性变形而产生 的热量迅速向基体扩散，于是绝热剪切带内的温度急剧下降。材料在绝热剪切变 形过程中的特点由三个因素决定：一是由于应变增加材料的加工硬化效应加强； 二是由于应变率增加材料的应变率强化效应加强；三是由于剪切带内的温度升高 材料的热软化效应加强。当热软化效应相对于加工硬化效应和应变率硬化效应来 说占优势时，材料发生热塑失稳，在剪切区域这个狭窄的区域内产生剧烈的塑性 变形，而相对于剪切区域来说周围基体中的变形量非常小，在这个狭窄的区域内 形成绝热剪切带。不同材料种类、不同原始组织和不同加载条件下产生的绝热剪 切带其内部的微观组织结构具有一些共同的微观结构特征【1 2 】：绝热剪切带中部为 纳米等轴晶，其对应的选区衍射花样为连续的圆环状；绝热剪切带内的晶粒显著 细化，从绝热剪切带中部到基体的微观组织结构是逐渐变化的。前人研究认为绝 热剪切带中部纳米等轴晶的形成是旋转式动态再结晶的结果1 1 3 - 1 6 】。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 多种冲击载荷作用下都可以产生绝热剪切带。不同条件下产生的绝热剪切带 具有一定的规律性：( 1 ) 基体晶粒粗大和预塑性变形将阻碍绝热剪切带的形成和 减缓其发展【l 刀；( 2 ) 材料的加工硬化能力越低( n 值小) ，其绝热剪切敏感性越高， 所产生的绝热剪切带也越窄【l8 】；( 3 ) 强度越高的材料，在局域化变形形成绝热剪 切带的过程中所需要的临界剪切应变越小，局域化剪切变形现象越明显【1 8 】。 根据绝热剪切带内的微观组织结构是否发生了由一种相向另一种相的转变， 可以将剪切带分为两类：形变带和相变带l l9 1 。纯金属在动态冲击载荷下作用产生 的绝热剪切带大多数属于形变带，而钢铁、铀合金和钛合金在动态冲击载荷作用 下产生的绝热剪切带内发生了相变，则通常属于相变带。在一定外部的条件下， 形变带也可以向相变带转变1 2 。 绝热剪切是一种塑性变形高度集中于剪切变形区这个狭小的区域内从而使 材料局部塑性失稳的现象，材料在变形过程中产生了绝热剪切带则表明材料的承 载能力下降或丧失，是材料失效破坏的前兆。因此从防止材料失效破坏的角度， 有必要对绝热剪切现象进行研究，从而设法提高材料的抗局部塑性失稳能力，提 高材料的使用寿命。 1 2 绝热剪切带内的微观组织结构演化机制 1 2 1 经典再结晶理论 人们通常利用金相显微镜( 0 m ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子显微镜 ( s e m ) 、背散射电子衍射b s d ) 技术等实验手段来研究绝热剪切带内的微观组织 结构演化。利用t e m 对绝热剪切带内的微观组织结构进行分析，结果表明：绝 热剪切带中部为纳米等轴晶，而绝热剪切带中部的微观组织结构逐渐转变为基体 的微观组织结构。绝热剪切带内的晶粒内部的位错密度很低和再结晶晶粒具有相 同的形貌特征，认为剪切变形过程中形成的细小晶粒是再结晶的结果【1 4 1 5 ，2 m 4 1 。 经典的静态再结晶机制如：由d e r b y 和a s h b y 【2 5 】提出的大角度晶界迁移模 型；另一种是由l i l 2 6 1 提出，后来由d o h e r t y 和s z p u n a r l 2 7 】修改的亚晶合并模型。 它们可以很好的解释一些合金中的微观组织结构演化。而关于动态再结晶，也有 一些理论。经典的动态再结晶机制包括：应变诱发晶界迁移机制( s t r a i n - i n d u c e d b o u n d a r ym i g r a t i o n ，s i b m ) 2 列；亚晶合并机制( s u b g r a i nc o a l e s c e n c em e c h a n i s m ， 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 s c m ) 2 6 , 2 9 】。但是它们都不能正确解释绝热剪切带内细小等轴晶和拉长亚晶形成 时间上的可能性。 1 2 2 动态再结晶新理论 经典再结晶机制不能正确解释绝热剪切带内拉长亚晶和细小等轴晶形成时 间上的可能性。它们与绝热剪切变形时间相比慢很多( 两三个数量级) ，因而不 能用来解释绝热剪切带内晶粒在绝热剪切变形时间内瞬间急剧细化的现象。为了 能够解释绝热剪切带内的晶粒急剧细化的现象，国内外学者提出了一些新的动态 再结晶理论，主要有：a n d r a d e 等人【1 5 】提出的晶粒机械破碎和晶界迁移，亚晶粗 化机制；f l a q u e r 等人【3 0 1 提出的机械辅助亚晶转动再结晶机制；h i n e s 等人【3 l 】提出 的渐近式亚晶位向差再结晶机制以及m e y e r s 等人【2 1 ，3 2 】提出的旋转式动态再结晶 机制。 ( 一) 晶粒机械破碎及晶界迁移，亚晶粗化机制 a n d r a d e 等人【1 5 】提出了晶粒机械破碎及晶界迁移，亚晶粗化机制。该机制可 以很好的解释c u 在高应变率变形过程中的绝热剪切带内的微观组织演化过程。 其主要过程如图l 。1 所示。 ( 1 ) 动态加载初期，在动态冲击载荷作用下在原始晶粒内部形成间距为 5 - 2 0 1 a m 的亚结构； ( 2 ) 在动态加载过程中原始晶粒内部的亚结构被拉长为沿剪切方向分布的 长度为0 1 岬的薄片； ( 3 ) 随后在变形过程中为了适应继续变形的需要这些长条亚组织在变形过 程中产生的位错的作用下破碎； ( 4 ) 同时由于变形过程中的塑性功大部分转化为热量引起绝热剪切带内的 温度升高，破碎细化的亚组织发生旋转，形成界面完整、取向差较大的等轴晶。 该机制没有考虑应变速率对再结晶的影响，只是定性描述，且( c ) 到( d ) 过程缺乏实验依据，缺乏时间上的可行性。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 c 固b d 图卜l 晶粒机械破碎及晶界迁移，亚晶粗化混合机制示意图“副 ( 二) 机械辅助亚晶转动再结晶机制 s e v i l l a n o 和f l a q u e r 等人【3 0 j 提出机械辅助亚晶转动再结晶机制，该机制适用 于低温、大塑性变形条件下的塑性变形。低温下的塑性变形是滑移系开动并滑移 的结果。根据能量最低原理，当塑性变形过程中的剪切应力达到临界分切应力时， 在晶粒内部不同的亚晶之间，选择开动并滑移的滑移系也不相同。根据亚晶晶界 上的自由能最低原理，具有小角度晶界的相邻亚晶转动合并，从而完成再结晶过 程。该机制没有考虑应变速率对再结晶的影响。 ( - - ) 渐近式亚晶位向差再结晶机制 h i n e s 等人【3 l j 基于双晶模型，在晶体塑性变形理论的基础上建立了渐近式亚 晶位向差再结晶( p r o g r e s s i v es u b g r a i nm i s o r i e n t a t i o nr e c r y s t a l l i z a i o n ，p r i s m ) 模 型。其主要过程如图1 2 所示。 该机制从晶体变形角度出发认为基体中的粗大晶粒在动态加载过程中的剪 切应力作用下在其内部形成拉长的亚结构，随后亚结构在变形过程中的剪切应力 的作用下旋转形成等轴亚晶，随着变形过程的继续，亚晶之间的取向差变大成为 大角度晶界，最后在冷却过程中晶界细化完成再结晶过程。 4 _ 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 囝 圄圜 _ _ 。 。- b 一 c 冒翟 de 图卜2 渐近式亚晶位向差再结晶机制示意图旧u p 吾r e z p r a d o 【8 j 等人研究发现该机制能很好的解释在动态加载过程中t a 和 t a w 合金内部形成的绝热剪切带内的微观组织结构演化过程，对于晶界明显的 晶粒，他们认为只是晶界细化未发生。但是该机制没有考虑应变率的影响，所以 缺乏时间上的可行性，因此他们只是定性的说明这种模型的适用性。 ( 四) 旋转式动态再结晶机制 目前，被学术界普遍认同的较为合理的能正确解释绝热剪切带内的微观组织 结构演化动力学上的可行性的机制是旋转式动态再结晶机锘l j ( r o t a t i o n a ld y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ，r d r ) 。m e y e r s 等人【2 l j 首次提出亚晶旋转和亚晶界滑移的扩展 机制，他们是在分析钛在动态加载过程中产生的绝热剪切带内的微观组织结构演 化时提出的。n e s t e r e n k o 等人【3 2 j 提出旋转式动态再结晶机制，他们是在在研究 t a 在高应变速率的变形过程中产生的绝热剪切带内的微观组织结构演化时提出 的。如其主要过程图1 3 所示。从位错角度来描述旋转式动态再结晶机制为：在 动态加载过程中，首先会在基体晶粒内产生大量位错，这些位错是随机分布的， 随着变形过程的继续，晶粒内的位错密度增加，部分位错有序化形成拉长的位错 胞，拉长的位错胞合并形成拉长的亚晶，在继续变形过程中，被拉长的亚晶破碎 形成取向差较小的亚晶，最后，等轴状的再结晶晶粒的形成是通过亚晶旋转来完 成的。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 麟鞴 ( e ) 图卜3 旋转式动态再结晶机制示意图2 1 1 ( a ) 位错随机分布( b ) 形成拉长的位错胞( c ) 形成拉长的亚晶( d ) 被拉长的亚晶破碎 ( e ) 形成再结晶组织 m e y e r s 等人【2 1 ，2 q 建立了旋转式动态再结晶机制的动力学模型，如图1 - 4 所 示。并通过计算得到了亚晶旋转的动力学方程。 ( a ) rfi ( c ) ( d ) 图卜4 亚晶界旋转完成再结晶示意图乜1 2 钔 h i n e s 等人【2 2 1 、y a n g 等人旧以及p 6 r e z p r a d o 等人刚分别用大角度晶界迁移 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 机制、亚晶合并机制与旋转式动态再结晶机制进行动力学计算，如图1 5 所示。 图卜5 应变诱发晶界迁移机制、亚晶合并机制和旋转式动态再结晶机制的动力学比瞳2 3 3 3 副 ( a ) 为纯c u ( b ) 为纯t i ( c ) 和( d ) 为t a 和t a w 合金 由图可以看出和经典的再结晶机制( 大角度晶界迁移机制、亚晶合并机制) 相比，旋转式动态再结晶机制所需的时间低很多( 几个数量级) ，且旋转式动态 再结晶机制的动力学曲线与计算的绝热剪切带内的温升和温降曲线相交，这就说 明旋转式动态再结晶机制在时间上来解释剪切带内的晶粒细化是可能的，但温降 时间比完成旋转式动态再结晶所需要的时间短很多，且冷却曲线的斜率比旋转式 动态再结晶的斜率大很多，所以不能因为相交而认为在时间上可以满足再结晶的 条件。因为因此有必要对动态加载过程中的微观结构演变进行研究。 1 3 晶粒细化 在动态加载获得绝热剪切带的过程中，剪切区域的晶粒瞬间急剧细化，形成 具有再结晶特征的组织结构。而目前能够在不牺牲材料塑性、韧性的前提下提高 材料强度的唯一方法就是晶粒细化。目前一般通过强塑性变形来达到细化晶粒从 而提高材料强度和使用性能的目的。强塑性变形制备细晶材料应满足三个条件： 强塑性变形后可以获得大量具有大角度晶界的细晶组织；材料内形成的细晶组织 结构均匀，稳定性能好；在变形后材料没有破坏或萌生裂纹，即变形后材料没有 失效。为了获得具有稳定性能的细晶材料必须采用特殊的变形方式在相对较低的 温度下进行大塑性变形。强塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 技术，如 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 等通道转角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，e c a p ) 1 3 6 - 3 引、高压扭转g h p r e s s u r et o r s i o n ，h p t ) t 3 9 4 0 】、累积叠轧( a c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g ，a r b ) 4 1 , 4 2 】、多向 锻压( m u l t i p l ef o r g i n g ，m f ) 【4 3 搿】等等，可以仅通过塑性变形获得细晶粒材料，从而 成倍提高金属材料强度和使用性能，但是它们的塑性和韧性损失不大。v a l i e v 4 5 】 指出，目前只要选定合适的加工路径和施以足够高的应变，通过多种s p d 技术 即可获得均匀的纳米晶( 细晶) 结构。最近l i d d i c o a t 团队【4 6 】的工作表明，对7 0 7 5 铝合金进行h p t 加工后，其屈服强度高达1 g p a 可和钢媲美，且均匀延伸率达 5 。而在强塑性变形获取具有大角度晶界等轴纳米晶的同时，出现析出相低温 溶解、形成过饱和固溶体等新现象【4 m 9 1 。 1 4 析出相的溶解 1 4 1 析出相溶解现象 在动态加载获取绝热剪切带的过程中，绝热剪切带内晶粒细化的同时基体中 原来存在的析出相溶解。动态加载过程中是一个强迫剪切变形过程，而变形过程 持续的时间非常短，且变形过程中的应变和应变率很高，不可能获取变形过程中 每个阶段剪切区域内析出相的变化情况。从而使得对动态加载过程中析出相溶解 机制的研究变得非常困难。而动态加载是一个剧烈的强迫剪切变形过程。关于强 塑性变形过程中析出相的溶解，前人进行了大量的研究1 4 8 , 5 0 - 5 6 1 。1 9 9 8 年s e l l l ( o v 等人【5 5 j 最先在a l - 5 6 f e 合金的s p d 过程中发现a 1 3 f e 4 的室温溶解现象。 m u r a y a m a 等人【4 8 】在e c a p 变形过程中发现越c u 合金中的针状0 过渡相逐步分 解成短链状最后溶解到基体中。o h i s b j 等人【5 1 1 在e c a p 变形过程中发现a 1 一m g s i 合金中的p 过渡相的室温溶解行为。m a 等【5 7 1 和w a n g 等【5 8 】对热变形过程中析出 相的演化特征进行了研究，认为析出相弯曲、扭折、切断，最后球化溶解。z h a n g 等人1 5 刿研究认为在9 5 0 。c 、0 0 0 5 s 变形条件下，针片状的6 相在变形断裂和溶 解断裂的共同作用下逐渐转化为球状。可见在强塑性变形过程中析出相的溶解是 一种普遍现象。 1 4 2 析出相溶解机理研究 强塑性变形过程中出现析出相溶解，形成过饱和固溶体。关于析出相低温溶 解的机理：m u r a y a m a 等人【4 8 1 认为，在e c a p 变形过程中0 - 相破碎成纳米级细小 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 颗粒，表面能显著增加从而在热力学上不稳定，导致析出相破碎溶解形成过饱和 固溶体；f a t a y 等人【6 0 认为在经过1 5 次高压扭转后析出相从x 射线衍射图中消 失是因为析出相破碎成细小颗粒并在基体晶界上形成一薄层，而不是溶解到基体 晶粒内部形成过饱和固溶体；h i d a k a 等人1 6 l j 认为，共析钢中的渗碳体在球磨过 程中全部消失不见，但是其内部铁素体中的碳含量只有o 1 ，多余的碳原子集 聚在铁素体晶界上面；m a r t i n 等人1 6 2 j 根据g i b b s t h o m p s o n 方程认为，小于平均 直径的破碎的析出相，由于析出相中的溶质原子的溶解度增高，超过基体的过饱 和度而溶解；h i w i u 等人【6 3 】研究由于温度升高而引起的析出相的溶解，认为位错 运动使得0 相分解破碎，同时空位流动控制着析出相的溶解。许晓嫦畔j 从强变形 诱导析出相低温溶解的热力学和微观机制方面分析了a 1 c u 合金中的析出相在 等通道挤压和多向压缩过程中的溶解现象，认为析出相的溶解是变形过程中析出 相与基体中的位错、空位等作用导致其破碎，平衡状态被破坏，为了降低材料内 部的自由能从而溶解到基体中。i v a n i s e n k o 6 5 1 等认为，渗碳体的磨损导致渗碳体 的溶解，如图1 - 6 所示；m a 等人【5 7 】和w a n g 等人【5 8 】认为在热变形过程中基体中的 析出相弯曲、扭转、切断，最后球化溶解，如图1 7 所示。z h a n g 等人【5 9 j 认为在等 温压缩变形过程中针片状的6 相在变形断裂和溶解断裂的共同作用下逐渐转化 为球状，如图1 8 所示。但这些机制都有一定的局限性，不能全面的解释强变形过 程中的析出相溶解现象，特别是动态加载过程中析出相的瞬间溶解现象，因此有 必要对析出相的溶解现象进行研究。 x s s h e a r 丫 图卜6 磨损导致渗碳体的溶解示意图阳朝 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 圈一圈一震 图 ( a 图卜76 相在高温变形过程中的演化示意图旧5 8 1 图卜8 板条状6 相的球化过程训 1 5 本文的研究内容及意义 1 5 1 研究内容 c ：，c c ：3 宅o 。c ) o d ) 本文工作得到了国家自然科学基金( n o 5 0 9 7 1 1 3 4 ) 和爆炸科学与技术国家重 点实验室开放基金重点资助项目( n o k f j j 0 9 1 、n o k f j j l 2 1 z ) 的资助。在总结 前人研究成果的基础上，研究绝热剪切带内的微观结构演化和析出相溶解这两个 当前研究中的焦点问题。选择2 1 9 5 铝锂合金为研究对象，获取绝热剪切带内的 的微观组织结构分布通过o m 和t e m 等技术，研究绝热剪切带内部晶粒瞬间细 化、析出相溶解过程。 1 5 2 研究意义 动态加载条件下材料的动态变形行为的一个热点是绝热剪切带内的微观组 织结构分布特征及演化规律。分析其内部的微观组织结构分布特征及演化机制是 绝热剪切现象的重要内容。开展对动态加载条件下的再结晶机制等相关问题的研 究，本研究有助于丰富和发展材料科学与力学的基础理论( 高应变和高应变速率 下金属材料内部的形变再结晶) ，并为发掘和开发金属材料的动态变形性能、探 索纳米晶材料的制备和设计技术提供科学指导。析出相的溶解是研究绝热剪切带 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 内微观组织结构特征及演化规律的另一个重要内容。深入对析出相溶解的研究， 可以加深对绝热剪切带内部微观组织结构的演变规律的认识。开展对强塑性变形 条件下的析出相溶解机制的研究，从而达到控制材料组织结构，提高材料性能的 目的。本文的创新知识将丰富和发展材料动态损伤断裂理论，开辟材料动态损伤 断裂控制的新途径，构筑空间构件材料结构设计优化、动态损伤断裂的材料学控 制的科学基础，从而大幅度提升极端服役构件材料的动态性能水平，使我国在材 料动态行为研究领域的总体水平进入国际先进行列，有力地支撑国民经济发展与 国家安全。因此，有必要对动态加载过程中绝热剪切带的微观组织结构和析出相 的演化进行深入的研究分析。 中南大学硕士学位论文第二章实验材料和方法 2 1 实验材料 第二章实验材料和方法 本研究所采用的实验材料为2 1 9 5 铝锂合金。从美国宇航材料数据库中查得 其化学成分如表2 - 1 所示。铝锂合金的最低再结晶温度为3 7 3k ( 0 4t m ，t m 为 9 3 3 k ) 。2 1 9 5 铝锂合金具有低密度和高断裂韧性。在航空航天领域具有广泛的应 用。 表2 - 12 1 9 5 铝合金的主要化学成分( w t ) c u m ga g a 1 4 01 0 余量 原始组织为锻造态组织，经5 0 0 。c 固溶3 0 m i n ，水淬，在室温下时效，得到 自然时效态板材。水淬后在1 8 0 。c 时效1 6 h ，得到t 6 峰时效板材。其晶粒组织如 图2 1 所示。由图可知自然时效态材料内的晶粒保留了锻造状态下的板条状晶粒 形貌，而t 6 峰时效态材料内的晶粒的形状比较规则，晶粒大小比较均匀。 图2 12 1 9 5 铝锂合金的组织形貌( a )自然时效态( b ) t 6 峰时效态 中南大学硕士学位论文 第二章实验材料和方法 2 一试验方法 2 2 1 动态加载实验 利用分离式霍普金森压杆( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ，s h p b ) 实验装置进 行动态加载实验，实验装置及原理详见文献【1 5 2 4 , 6 6 1 。压杆材料为钛合金，直径 为1 4 5 m m ，入射杆长1 2 0 0 m m ，透射杆长1 0 0 0 m m ，撞击杆长2 0 0 m m ，压杆材 料的弹性模量为1 1 0 g p a o 动态加载过程中撞击杆上的加载气压对自然时效态和 t 6 峰时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样分别为0 i 和o ii m p a 。试样放置在入射杆 与透射杆之问，如图2 - 2 。试样为帽形试样，具体几何形状和尺寸见图2 - 3 。在 s h p b 加载过程中，在强迫剪切应力和高剪切应变率的共同作用下，试样发生剪 切变形，其微观组织结构发生变化。 岛nt & b l l _ _ c i d e n tb a rt r an sm i t t e d i 图2 2s h p b 实验过程示意图 b a r 中南大学硕士学位论文第二章实验材料和方法 2 2 2 金相显微分析 图2 - 3 帽型试样示意图 沿着2 1 9 5 铝锂合金试样端面直径方向取样。2 1 9 5 铝锂合金采用h 2 09 5 0 m l + h n 0 32 5 m l + h c l1 5 m i + h f l 0 m l 进行侵蚀。显微组织金相观察是在 p o l y v a r - m e t 大型多功能金相显微镜上进行的。 2 2 3 显微硬度测试 显微硬度计为h v s - 1 0 0 0d i g i t a lm i c r o h a r d n e s st e s t e r 。加载力为1 0 9 ，加载 时间为2 0 s 。 2 2 4 透射电子显微分析 平行于2 1 9 5 铝锂合金试样的轴线用线切割机切下一薄片，机械减薄至0 1 m m 厚，再冲裁出直径为3 m m 的小圆片，再进行双喷减薄，液氮冷却至温度为一3 0 。c ， 双喷电解液为h n 0 3 ：c h 3 c h z o h = 1 ：3 。在t e c a n a ig 22 0 和j e m 1 0 0 透射电子 显微镜下分析动态加载前后基体和剪切区域的微观组织结构变化，操作电压2 0 0 k v 。 中南大学硕士学位论文 第三章自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样的微观结构演化 第三章自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样的微观结构演化 由于绝热剪切带内的受力复杂、温度变化剧烈和微观组织结构复杂，使得对 绝热剪切带的研究不论从变形过程中的温度和受力情况的变化角度，还是从微观 组织结构演化的角度都引起了材料界的极大兴趣。绝热剪切变形过程持续的时间 极短( 约为几十微秒) ，对变形过程中的受力情况和温度随时间的变化的研究一 般通过动态响应数据结合理论数值计算来分析，h i n e s 2 2 1 和s h i h 6 7 】在这方面进行 了一些研究。对于剪切带内纳米晶的微观组织结构的研究主要通过透射电镜来实 现。m e y e r s b 3 , 2 4 1 ，a n d r a d e 1 5 】和y a n g t l 4 】利用透射电子显微镜对钽、3 0 4 l 不锈钢， 纯铜，纯钛等材料在动态加载过程中产生的剪切带内的微观组织结构进行了研 究，并得出动态加载过程中在剪切区域形成绝热剪切带，剪切带内晶粒急剧细化 形成细小等轴晶的结论。 2 1 9 5 铝锂合金由于具有低密度和高的绝热剪切敏感性，因此易于产生绝热 剪切带。现在普遍认为绝热剪切带内形成的纳米等轴晶是旋转式动态再结晶的结 果【1 3 , 6 8 】。 铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度，在航空航天领域 具有广阔的应用前_ 景j 6 9 , 7 0 】。2 1 9 5 铝锂合金具有低密度和高断裂韧性，取代2 2 1 9 铝铜合金用于空间飞行器外部贮箱，可以减轻3 1 7 5 k g 的重量，增加5 0 的载荷 能力7 1 1 。前人对2 1 9 5 铝锂合金进行了大量基础研究 7 2 - 7 4 】。但对动态载荷下2 1 9 5 铝锂合金的微观组织结构演化的研究尚未见有报道。 本研究利用s h p b 实验装置对自然时效态2 1 9 5 铝锂合金的帽型试样进行动 态加载获取绝热剪切带，利用t e m 研究了自然时效态2 1 9 5 铝锂合金动态加载前 后的基体及剪切带内的微观组织结构及其析出相的演变规律，为设计制备高抗冲 击铝锂合金材料提供依据。 3 1 热力参量 应力波在s h p b 加载过程中的加载时间可由如下公式得出【7 5 】： 中南大学硕士学位论文第三章自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样的微观结构演化 丁：孕 ( 3 - 1 ) 其中，c o 是应力波在钛合金压杆中的纵波波速，5 0 0 0 m s ，1 ：o 是s h p b 加载过程 中的撞击杆长度，2 0 0 m m ，因此可得的应力波的加载时间为8 0 1 t s 。 在s h p b 加载过程中，在帽型试样的剪切区域在高应变率和强迫剪切应变的 作用下产生绝热剪切带，剪切区域的剪切应力、剪切应变、应变率和真应变可以 通过如下公式1 5 ，7 6 1 计算得出。 喇= 嬲 ( 3 - 2 ) 她) = 竽 ( 3 - 3 ) ) ，沪j ：矿o ) 衍 ( 3 4 ) 弘i n l l + ? + - 譬 ( 3 - 5 ) e o 为s h p b 加载过程中所使用的钛合金压杆的弹性模量；e ，( t ) 和e t ( t ) 分别 为s h p b 实验中入射杆和透射杆中部所贴的应变片上所采集到的反射应变脉冲 和透射应变脉冲；l 和w 分别为帽型试样中剪切区域的长和宽；d i 和d e 分别为 帽形试样的帽顶直径和帽底直径。 图3 1 ( a ) 所示为自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样在动态加载实验过程 中的应变脉冲时间动态响应曲线。该图记录了入射杆和透射杆中部所采集到的 应变脉冲随时间的变化规律曲线。绝热剪切变形起始于反射信号中应变速率的第 一个峰值，终止于透射信号中加载应力的最后一个峰值【1 5 】。由式( 3 3 ) 结合图 3 1 ( a ) 可得，自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样的绝热剪切变形时间约为6 0 t s 。 图3 1 ( b ) 所示为自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样动态加载实验过程中剪 切区域的应变率时间曲线，由实验测得的反射应变脉冲( 图3 1 ( a ) 所示) 经( 3 3 ) 式计算所得。由图可知自然时效态2 1 9 5 铝锂合金帽型试样剪切区域的平均应变 率约为0 9 5 1 0 4 s ，比准