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纯铜微观组织调控及其对电化学和机械性能的影响

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纯铜微观组织调控及其对电化学和机械性能的影响

作者：汤寒宇大连理工大学

学位级别：硕士

电化学机械抛光作为低压力条件下实现兼顾全局以及和局部平坦化的重要加工手段,在精密加工中具有广泛的应用前景。对于同种成分的材料,晶粒尺寸以及晶粒分布均匀性对电化学及机械性能具有显著影响。因此,提出纯铜微观组织调控方法,研究... 详细信息

电化学机械抛光作为低压力条件下实现兼顾全局以及和局部平坦化的重要加工手段,在精密加工中具有广泛的应用前景。对于同种成分的材料,晶粒尺寸以及晶粒分布均匀性对电化学及机械性能具有显著影响。因此,提出纯铜微观组织调控方法,研究晶粒尺寸对电化学与机械性能的影响,具有重要的科学意义与工程价值。本文以工业T2纯铜作为研究对象,开展室温单轴压缩及热处理试验,建立纯铜再结晶及晶粒长大模型并拟合材料常数,研究初始晶粒尺寸、变形量、热处理温度和保温时间对纯铜微观组织演变的影响规律。基于有限元仿真软件DEFORM建立纯铜室温轧制及热处理过程的有限元模型,采用拟合的再结晶及晶粒长大模型,考虑实际加工过程中摩擦、传热等因素的综合影响,预测再结晶百分数及晶粒尺寸,获得制备均匀微米级晶粒的工艺流程。为扩展晶粒尺寸对电化学以及机械性能的影响研究的试验范围,采用室温下的表面机械碾磨处理,获得具有一定细化深度的梯度纳米材料,根据电子背散射衍射测量结果,处理后的表层组织细化至纳米级且均具有大角度晶界,随着垂直与表面的深度增加,晶粒尺寸缓慢增长,在200μm处晶粒尺寸仍属于超细晶范畴。为研究微米晶及超细晶纯铜晶粒尺寸对电化学性能的影响,在3.5wt.%NaCl溶液中对不同晶粒尺寸的试样进行动电位扫描,研究腐蚀电流密度、腐蚀后表面形貌与晶粒尺寸的变化关系;基于纳米压痕试验结果,研究纯铜晶粒尺寸对机械性能的性能的影响,为工业T2纯铜的精密电化学机械抛光提供参考。

关键词：工业纯铜微观组织调控再结晶模型表面机械碾磨电化学机械抛光

高强度铝合金异型材的冶金制备工艺与微观组织调控研究

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冶金与材料 2024年第11期44卷 147-149页

作者：雷小洪朱红标清远市钛美铝业有限公司广东清远511500 广东岭南职业技术学院广东清远511500

高强度铝合金异型材,以其卓越的力学性能、显著的轻量化效果及良好的加工成型能力,成为航空航天、汽车制造及高速列车等现代工业领域的关键材料。文章探讨了高强度铝合金异型材的高效冶金制备工艺,并通过精细的微观组织调控策略,进一步... 详细信息

高强度铝合金异型材,以其卓越的力学性能、显著的轻量化效果及良好的加工成型能力,成为航空航天、汽车制造及高速列车等现代工业领域的关键材料。文章探讨了高强度铝合金异型材的高效冶金制备工艺,并通过精细的微观组织调控策略,进一步优化了其力学性能。研究涵盖了合金成分设计、熔炼铸造、挤压变形及热处理等关键制备环节,同时采用金相观察、SEM、TEM及EBSD等先进分析手段,详细解析了微观组织的演变规律及其对力学性能的影响机制,以期为高强度铝合金异型材的工业化生产与应用提供坚实的理论支撑与技术支持。

关键词：高强度铝合金异型材冶金制备工艺微观组织调控

梯度化加热调控微观组织实现变强度热冲压工艺

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锻压技术 2021年第9期46卷 197-203页

作者：王义林方冬雨刘培星朱彬张宜生华中科技大学材料科学与工程学院湖北武汉430074 山东钢铁集团日照有限公司钢铁研究院山东日照276800

开发了一种变强度热冲压工艺,可以对零件进行微观组织和力学性能调控。利用感应线圈对坯料进行梯度化加热,使局部区域奥氏体化,进而调控淬火后各区域的微观组织,从而获得变强度零件。实验以退火态及冷轧态的热冲压钢来研究该工艺,软化... 详细信息

开发了一种变强度热冲压工艺,可以对零件进行微观组织和力学性能调控。利用感应线圈对坯料进行梯度化加热,使局部区域奥氏体化,进而调控淬火后各区域的微观组织,从而获得变强度零件。实验以退火态及冷轧态的热冲压钢来研究该工艺,软化区组织均为珠光体+铁素体,退火态和冷轧态钢板的抗拉强度及伸长率分别为490 MPa和32%、940.4 MPa和4.2%;高强度区均为马氏体组织,退火态和冷轧态钢板的抗拉强度及伸长率分别为1532 MPa和9.1%、1485.1 MPa和8.4%;过渡区的硬度从高强区向软化区逐渐下降,性能基本平稳过渡。结果表明,对于两种不同供货态钢,该工艺均可通过微观组织调控的方法,实现零件的变强度分布。

关键词：变强度高强钢热冲压梯度化加热微观组织调控

内生非晶复合材料组织与力学性能调控研究进展

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材料工程 2022年第5期50卷 78-89页

作者：翟海民马旭袁花妍欧梦静李文生兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征,使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能,在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时,原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高... 详细信息

非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征,使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能,在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时,原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高度局域化剪切带,局域化剪切带由于缺乏介质的阻碍会发生失稳扩展,导致非晶合金极易发生室温脆断,特别单轴拉伸时基本无塑性。为克服这个缺憾,研究者们提出将微米级尺寸的晶体相引入非晶来抑制剪切带的失稳扩展,使得内生第二相增韧非晶复合材料具有了明显的拉伸塑性能力,因此倍受材料学界的关注。近年来,研究者们陆续通过成分设计、制备技术、热处理工艺等方法来实现非晶复合材料的塑性变形能力的提升,使得非晶复合材料有望走向实际的工程应用。本文围绕内生第二相增韧非晶复合材料的微观组织调控这一关键科学问题,从影响非晶复合材料微观组织结构的因素(合金成分设计、制备工艺参数、微观结构构筑等)到微观组织对其室温力学性能的影响机制两方面的研究成果进行了系统总结,重点阐述了近10年来内生第二相增韧非晶复合材料领域组织调控及其室温力学性能关联性方面的研究进展,并且对内生非晶复合材料研究领域目前的存在的问题和挑战进行了展望,以期为高强高韧内生第二相增韧非晶复合材料的设计与制备提供理论参考。

关键词：非晶复合材料微观组织调控制备技术力学性能剪切带

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1.0GPa级I&QP钢组织调控及增强增塑性机制

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钢铁 2021年第2期56卷 132-138,146页

作者：侯晓英孙卫华王业勤金光宇曹光明任东山东钢铁集团日照有限公司山东日照276805

为研究1.0GPa级I&QP钢的微观形貌特征及增强增塑机制,采用不同退火工艺制度并分析其组织性能特征及其对强塑性的影响。结果表明,将热轧初始组织调控为体积分数不小于85%且晶粒尺寸细小(3~5μm)的针状贝氏体组织,经过I&QP工艺处理后,易... 详细信息

为研究1.0GPa级I&QP钢的微观形貌特征及增强增塑机制,采用不同退火工艺制度并分析其组织性能特征及其对强塑性的影响。结果表明,将热轧初始组织调控为体积分数不小于85%且晶粒尺寸细小(3~5μm)的针状贝氏体组织,经过I&QP工艺处理后,易于将最终微观组织调控为大于70%的不同位向存在的"板条簇"贝氏体组织、少量晶粒尺寸小于2.5μm的铁素体以及不小于14.5%的片层状残余奥氏体三相混合组织。临界区加热温度适当降低到850℃后,I&QP钢晶粒细化,同时大角度晶界所占比例增加至60.2%,在相变、细晶、析出和位错综合增强增塑机制作用下,抗拉强度大于1.0GPa,强塑积达到30.2GPa·%,同时扩孔率达到62%。

关键词： 1.0GPa级高强钢 I&QP工艺初始热轧组织增强增塑机制微观组织调控

Ti_(2)AlNb基合金中的组织转变及其动力学研究进展

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航空材料学报 2022年第6期42卷 1-8页

作者：程剑文饶群力李金富姚婷婷上海交通大学分析测试中心上海200240 上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

起源于钛合金的Ti_(2)AlNb基合金作为一种新型高温结构材料,具有优秀的室温韧性、抗裂性能、高温强度及抗氧化性,在航空航天领域呈现出广阔的应用前景。研究Ti_(2)AlNb基合金的微观组织转变机制及相关动力学,对材料成分设计和加工工艺... 详细信息

起源于钛合金的Ti_(2)AlNb基合金作为一种新型高温结构材料,具有优秀的室温韧性、抗裂性能、高温强度及抗氧化性,在航空航天领域呈现出广阔的应用前景。研究Ti_(2)AlNb基合金的微观组织转变机制及相关动力学,对材料成分设计和加工工艺的优化以获得所需性能具有重要的意义。本文总结了Ti_(2)AlNb基合金中组织转变及其动力学机制的研究进展和不足,重点阐述了Ti_(2)AlNb基合金内B2相和O相的生长动力学研究现状,并指出Ti_(2)AlNb基合金在有序无序转变动力学、缺陷密度相关动力学等方面缺乏研究。未来Ti_(2)AlNb基合金需要结合逐渐全面的动力学研究成果来建立组织演变理论模型,从而优化合金成分及工艺,以满足更加复杂严峻的服役环境。

关键词： Ti_(2)AlNb基合金相变动力学微观组织调控

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新型高再结晶抗力α-Al(MnCr)Si弥散强化Al-Mg-Si-Cu合金研究

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材料导报 2023年第24期37卷 208-215页

作者：王孝国秦简刘方镇长海博文山西农业大学农业工程学院山西太谷030801 苏州大学高性能金属结构材料研究院江苏苏州215021 苏州大学沙钢钢铁学院江苏苏州215021

Al-Mg-Si-Cu铝合金(6XXX)属于可热处理强化合金,其高比强度、耐腐蚀及优良的成形性能使得它们在各种工业应用中具有吸引力,包括电力传输和交通运输行业;但相对较低的强度和硬度限制了其应用。最新研究表明,在合金中加入Mn/Cr等过渡族元... 详细信息

Al-Mg-Si-Cu铝合金(6XXX)属于可热处理强化合金,其高比强度、耐腐蚀及优良的成形性能使得它们在各种工业应用中具有吸引力,包括电力传输和交通运输行业;但相对较低的强度和硬度限制了其应用。最新研究表明,在合金中加入Mn/Cr等过渡族元素结合均匀化热处理工艺能够在Al-Mg-Si-Cu铝合金基体中形成纳米级、与基体部分共格的α-Al(MnCr)Si弥散相,从而借助弥散强化作用进一步提升合金的综合力学性能,拓展Al-Mg-Si-Cu铝合金的应用范围。弥散相因其对位错运动和(亚)晶界迁移的钉扎作用而有助于限制动态回复并抑制动态再结晶。此外,弥散相还能够限制合金在固溶处理过程中再结晶晶粒的形核和长大过程,进而抑制静态再结晶的发生。但较少有文献针对弥散相对Al-Mg-Si-Cu合金变形后热处理过程中的微观演变进行量化统计和机理分析,未能建立模型来描述变形条件对微观组织演变的影响。本工作对6061合金和Mn/Cr微合金化的Al-Mg-Si-Cu合金(后者被标记为HSW-1合金)在不同条件下进行热变形处理(变形温度:300、400、500℃;应变速率:0.01、0.1、1、10 s^(-1);真应变:1.2),研究变形合金在固溶和时效热处理过程中的微观结构演变,提出热变形合金经固溶处理后的微观组织调控机制。采用TEM观察证实了HSW-1合金基体中均匀分布着大量纳米级的α-Al(MnCr)Si弥散相。将热变形后的两种合金在560℃下盐浴保温不同时间,应用准原位EBSD技术表征微观结构的演变,统计取向差分布及亚晶粒尺寸的变化。结果表明,热变形条件(变形温度、应变速率)对6061和HSW-1合金在固溶处理过程中的静态再结晶行为有显著影响。两种合金静态再结晶行为随着变形温度的降低、应变量的增加及应变速率的升高而得到强化。相同的变形条件下,尽管6061合金静态软化驱动力低于HSW-1合金,但其在固溶处理过程中的静态再结晶行为明显强于HSW-1合金。这表明,弥散相通过钉扎作用有效抑制变形合金在固溶和时效过程中的静态再结晶行为,在显著提升合金的抗再结晶能力的同时保持变形合金的微观结构,使变形合金获得弥散强化和变形强化的综合效果,进而赋予其高强度。最后,通过理论分析提出了T6热处理后两种变形合金的微观结构控制模型。通过调整变形参数,即变形温度和应变速率,可以精确调节热处理后的微观组织成分,实验数据有效支持了模型的可行性。该结果为开发新型高强韧高性能铝合金提供了实验基础和理论分析。

关键词： Al-Mg-Si-Cu合金 α-Al(MnCr)Si弥散相热变形再结晶抗力微观组织调控

超声振动对Al/Mg搅拌摩擦焊接头微观组织及性能的影响

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超声振动对Al/Mg搅拌摩擦焊接头微观组织及性能的影响

作者：俞礼慜南昌航空大学

学位级别：硕士

铝合金与镁合金作为轻金属,具有密度小,强度高等的优点,在航空航天领域中使用愈发广泛。然而,Al/Mg异种金属焊接难问题限制了其进一步的应用,搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)作为Al/Mg异种金属焊接的重要连接方式,Al/Mg异种... 详细信息

铝合金与镁合金作为轻金属,具有密度小,强度高等的优点,在航空航天领域中使用愈发广泛。然而,Al/Mg异种金属焊接难问题限制了其进一步的应用,搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)作为Al/Mg异种金属焊接的重要连接方式,Al/Mg异种金属FSW过程中产生大量的金属间化合物,恶化焊接接头的力学性能。超声振动作为新型辅助方式,在FSW过程中具有降低材料变形应力,改善微观组织均匀性等优势。本文通过在FSW过程中引入超声振动辅助,对接头内材料流动及微观组织进行调控,从而改善焊接接头的质量和性能,研究结果如下:Al/Mg异种金属常规FSW结果表明,旋转速度从750 rpm增加到1180 rpm时,焊缝表面起皮减少,金属间化合物层加厚;焊接速度从23.5 mm/min提高到47.5 mm/min时,虽然减少了金属间化合物层厚度,但同时也引起材料流动性下降,导致接头强度降低。当转速950 rpm,焊接速度37.5 mm/min时,接头成形效果最佳,接头拉伸强度最高,为87.5 MPa。采用超声振动辅助进行Al/Mg异种金属FSW,探明超声振动辅助对Al/Mg异种金属FSW焊接接头的组织和性能的影响规律。超声功率与频率的提升均能减少焊缝表面焊接缺陷,使厚度方向材料混合均匀;在微观组织中,功率与频率的增加使界面处金属间化合物层减薄。当功率为360 W、频率为20 k Hz时接头强度最高,为129 MPa,相较常规FSW工艺提升了47.4%。建立扩散反应模型揭示FSW接头金属间化合物层的形成过程,分析超声振动对FSW接头IMCs形成的影响规律。超声振动可以提高焊核区返回侧界面附近(Al侧)的晶粒再结晶程度,促进小角度晶界向大角度晶界的转变;对于前进侧界面处(Mg侧)位置,超声振动辅助抑制了界面上金属间化合物层的生成与聚集,改变接头断裂位置,从而提升了FSW接头拉伸强度。

关键词：搅拌摩擦焊 Al/Mg异种合金超声振动辅助金属间化合物微观组织调控

熔体内生纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒调控ZL205A合金的制备、组织与室温高温力学性能

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熔体内生纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒调控ZL205A合金的制备、组织与室温...

作者：王正江苏科技大学

学位级别：硕士

陶瓷颗粒调控Al-Cu合金具有密度小,比强度高,塑性好等优点,而Ti C和Ti B陶瓷颗粒与α-Al润湿性和晶格匹配度好,无界面反应,是Al-Cu合金理想的颗粒增强体。而目前对于Ti C和Ti B陶瓷颗粒调控Al-Cu合金的研究大多为单相Ti C或Ti B颗粒,对... 详细信息

陶瓷颗粒调控Al-Cu合金具有密度小,比强度高,塑性好等优点,而Ti C和Ti B陶瓷颗粒与α-Al润湿性和晶格匹配度好,无界面反应,是Al-Cu合金理想的颗粒增强体。而目前对于Ti C和Ti B陶瓷颗粒调控Al-Cu合金的研究大多为单相Ti C或Ti B颗粒,对于双相Ti C+Ti B颗粒调控Al-Cu合金还少有报道,因此研究双相Ti C+Ti B陶瓷颗粒对Al-Cu合金的影响规律和性能增强机制就具有重要意义。此外,除了颗粒种类,颗粒尺寸在很大程度上决定着合金性能,与微米颗粒相比,纳米颗粒可以同时提高Al-Cu合金在室温和高温下的力学性能,具有更优异的强化效果。而在常用制备陶瓷颗粒的方法中,外生法易于使颗粒表面污染且发生团聚现象,而内生法和中间合金法工艺稳定性差,且成本高昂条件苛刻,限制其应用。因此探索出一种经济实用且高效的新型内生纳米陶瓷颗粒调控Al-Cu合金的制备工艺,对进一步提高Al-Cu合金室温和高温力学性能并使其适用于工业生产中就具有极大的实际应用价值。本论文主要创新点如下:(1)揭示在Al-Cu基体中原位内生单相Ti C和双相Ti C+Ti B的界面结合及形成机制:采用(Al-Cu)-Ti-C和(Al-Cu)-Ti-BC反应体系制备出高体积分数Ti C/Al-Cu和Ti C+Ti B/Al-Cu复合材料。研究发现(Al-Cu)-Ti-BC体系具有更低的反应强度和热释放,且BC具有更高的稳定性和相互稀释元素(C和B)的扩散距离。因此60 vol.%Ti C+Ti B/Al-Cu复合材料中陶瓷颗粒与铝基体之间具有优异的界面连续性,且界面结合强度和界面稳定性都优于60 vol.%Ti C/Al-Cu复合材料。(2)揭示高含量单相Ti C和双相Ti C+Ti B强化Al-Cu合金的力学性能、热物理性能及其强化机制:60 vol.%Ti C+Ti B/Al-Cu复合材料的压缩屈服强度,抗压强度,塑性应变和总应变相比于60 vol.%Ti C/Al-Cu复合材料分别提高了70.5%,60.7%,69.8%和56.5%,耐磨性提高了1.7倍,在373 K下的热膨胀系数降低了5.9%。其性能强化机制为陶瓷颗粒与基体的牢固界面结合有效传递载荷,同时陶瓷颗粒也有效的抵抗载荷并且限制材料的塑性变形。(3)揭示反应体系配比对熔体内生双相纳米Ti C+Ti B的影响机制:采用Al-Ti-BC,Al-Ti-BC-B和Al-Ti-BC-C为反应体系,利用新型熔体内生方式在ZL205A合金熔体中成功制备出纳米Ti C+Ti B陶瓷颗粒。研究发现随着Al-Ti-BC体系中Al含量的降低,生成的Ti C+Ti B尺寸增大。而随着Ti C/Ti B摩尔比的增加,Ti C增多而Ti B减少,且由于Ti C尺寸小于Ti B,因此生成的Ti C+Ti B尺寸降低。(4)揭示熔体内生双相纳米Ti C+Ti B的尺寸、含量及配比对Al-Cu合金微观组织及凝固行为的影响规律及调控机制:随着Ti C+Ti B尺寸增大,对合金铸态组织的细化程度呈现减小趋势,随着Ti C+Ti B含量及Ti C/Ti B摩尔比增大,对铸态组织的细化程度呈现先增大后减小趋势。当添加Al含量为80 wt.%的Al-Ti-BC体系内生生成0.3wt.%纳米Ti C+Ti B时,对合金铸态组织的细化程度最大。其铸态组织细化的调控机制为纳米Ti C+Ti B提高了凝固过程中α-Al晶粒及AlCu共晶相形核起始温度,缩短了生长所需时间且降低了形核再辉过冷度,有效促进了α-Al晶粒及AlCu共晶相形核且阻碍了生长。(5)揭示熔体内生双相纳米Ti C+Ti B的尺寸、含量及配比对Al-Cu合金力学性能的影响规律及强化机制:随着Ti C+Ti B尺寸增大,合金的力学性能呈现减小趋势,随着Ti C+Ti B含量和Ti C/Ti B摩尔比的增大,合金的力学性能呈现先增大后减小趋势。当添加Al含量为80 wt.%的Al-Ti-BC体系内生生成0.3 wt.%纳米Ti C+Ti B时,合金具有最为稳定和优异的室温和高温力学性能,在室温下的拉伸屈服强度,抗拉强度,总应变和强塑积分别达到了503.5 MPa,553.3 MPa,9.34%和4.36×10 MPa·%,相比于基体合金增长了16%,14.3%,17%和41.8%,在493 K和533 K温度下的屈服强度,抗拉强度,总应变分别达到了200.2 MPa,268.5 MPa,5.92%和162.5 MPa,206.7 MPa,4.85%,强塑积达到了1.08×10 MPa·%和0.72×10 MPa·%。其力学性能强化机制为细晶强化,析出强化,Orowan强化以及热错配强化。

关键词： ZL205A合金熔体内生纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒微观组织调控力学性能强化