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摘要:本文使用累积叠轧法作为实验材料的制备方法，使用扫描电镜（SEM） 、能谱仪（EDS）观察经过不同累积叠轧道次后的宏观形貌和微观组织；通过测试硬度、单轴拉伸和分析断口形貌来研究累积叠轧后力学性能变化情况。 实验结果表明：累积叠轧法可以使材料组织超细晶化。在第 1 道次累积叠轧后，对于材料晶粒组织，可以明显看出其细化效果，但不是均匀分布；增加累积叠轧的道次数，其界面结合的质量随之提高，虽然组织细化效果不是很明显，但是晶粒分布更加均匀化。第 6 道次累积叠轧后， Cu 层晶粒片层的厚度由初始的～50μm细化到～0.2μm， Al 层晶粒片层的厚度也细化到大约 0.5μm。 Cu/Al 多层复合板材经过累积叠轧后硬度和强度都明显增加，塑性反而下降许多。综合比较发现：3道次后其综合力学性能最好，详细实验数据如下：屈服强度为314MPa，抗拉强度为325.03MPa，延伸率为7.44%。 30102
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毕业论文关键词 ：累积叠轧法，超细晶，多层复合板，显微组织，力学性能
Title Microstructure and mechanical properties of Cu/Al laminated composites fabricated by accumulative roll bonding (ARB)
Abstract In this paper, Cu/Al composites were fabricated by accumulative roll bonding (ARB). The microstructures of the ARBed Cu/Al composites were characterized by SEM and EDS. Their mechanical properties including micro-hardness and uni-axial tensile at room temperature were systemically studied at temperature. The ARB technique not only realized the metallurgical combination between different laminated materials, but also obtained the ultrafined grains. The interface was combination preliminarily, and the microstructure was refined due to the large strain imposed on the sheets after the first ARB cycle. During the following ARB cycles, the quality of interfaces bond was gradually improved, and the homogeneity of microstructure was improved while the average grain size didn’t change obviously. Most of the interfaces has achieved the metallurgical combination after 8 ARB pass. The average grain size of pure copper layer in thickness changed from ～50μm to ～0.2μm, while it was refined to about 0.5μm in aluminum layer. The improvement of hardness and strength mainly occurs in the early ARB cycle. As a result, it exhibits the comprehensive mechanical properties after 3 ARB cycles in the Cu/Al composites. Keywords ： accumulative roll bonding (ARB), ultra-fine grain, laminated composites, microstructure, mechanical property
目次
1绪论..1
1.1立题背景..1
1.2剧烈塑性变形.1
1.3累积叠轧焊(ARB).2
1.4研究意义与内容..5
2实验..7
2.1实验材料..7
2.2制备复合板材.7
2.3材料表征与测试..9
3微观组织11
3.1宏观形貌.11
3.2微观形貌.12
4力学性能15
4.1硬度..15
4.2拉伸性能.16
4.3断口分析.17
结论..20
致谢..21
参考文献22
附录.24
1 绪论 1.1 立题背景 随着科学技术和现代工业的高速发展，材料的工作条件急剧复杂和恶劣化，人们对材料综合性能方面的要求也越来越高，特别是对金属材料在强度、耐腐蚀等方面的要求。所以，如何研究和制备新型复合材料已经成为材料科学界与现代制造业都急需解决的问题。超细晶金属层状复合材料因为其优越的综合性能而受到外界广泛的重视， 比如纳米陶瓷不容易摔碎、纳米晶铜比普通铜的强度高5 倍左右等[1,2]。金属层状复合材料是使用特殊的加工制备方法将两种或两种以上物、化性能不同的金属层复合制备而成，它综合了各自的优点，弥补了各自的缺点 [3-5]。 Gleiter在 20 世纪 80 年代初期首次提出纳米材料这一新概念，他使用了惰性气体冷凝法成功制备出纳米结构材料[6]。20 世纪 90 年代初期，Valiev 和他的团队使用了剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation，SPD)方法制备出超细晶材料[7]，从此以后材料学家们开始重点研究超细晶结构材料。超细晶结构材料因为其细小的晶粒、独特的结构，所以被称为“二十一世纪的新材料”。 目前，在有色金属层状复合材料的研究和应用领域取得显著成功的国家有美、日、俄、英、法、德等 [8]。我国在 20 世纪 60年代中期开始研究金属层状材料，近 50 年来，在不同金属的连接和层状金属复合板的复合工艺方面取得了重大突破[9,10]。到目前为止，这些超细晶材料或者金属层状复合材料已经得到了广泛的应用，比如在医疗保健、机械制造、电子通讯以及航空航天等领域 [3,11-13]。综上所述，制备超细晶金属层状复合材料已经成为当今世界材料研究领域的研究焦点之一。 众所周知，材料的制备方法影响材料的性能，比如对于材料学中的 Hall -Petch 关系，不同的制备方法会导致其出现正、反、混合三种情况，每种情况的性能都不一样。所以，选择恰当的制备方法才可以得到我们需要的特定的性能。目前金属层状复合材料的常用加工方法包括压力加工复合、轧制复合、铸造复合、粉末冶金等方法[14-16]。其中，轧制复合法中的冷轧复合是当今世界应用最广泛的金属层状复合技术之一，但是其主要问题是界面结合[17,18]。超细晶材料常用的加工方法有：剧烈塑性变形法、物理气相沉积法、粉末冶金法等[19-22]。 1.2 剧烈塑性变形 目前人们通常使用细晶机制、固溶机制和第二相强化机制等[23]来改善材料机械性能。许多研究表明，仅靠某一两种强化机制来改善材料机械性能是有局限的，只有综合使用多种强化机制[24-26]，才可以充分利用材料的内在潜质，最大程度地改善材料机械性能。剧烈塑性变形之所以能提升材料综合性能，是因为它获得了超细晶组织。剧烈塑性变形强化的基本机制是细晶强化机制，由 Hall -Petch关系知：σ = σ0 +kd－1/2，当 d(晶粒尺寸)减小，σ(材料强度)就增加，并且不单单是细晶强化这一种强化机制起强化作用[27]，而是多种强化机制共同强化的结果[28]，所以它强化的效率更高。 最早研究剧烈塑性变形的学者是Bridgeman，他在1940到1950年代做的一系列研究为剧烈塑性变形奠定了良好的基础[29]，使人们更好地了解金属在高度变形状态下发生的变化。19世纪70年代， Segal等材料学专家深入地研究了纯剪切变形， 最早提出等通道转角挤压技术(Equal Channel Angular Pressing， ECAP) [30]。Segal和团队通过这一方法制取到了超细晶材料。Valiv及其合作者在1989年发明了高压扭转变形技术(High Pressure Torsion， HPT)。日本学者Y. Saito及其合作者在1999年发明了累积叠轧焊技术(Accumulative Roll Bonding，ARB)[31]。随后呈现的新的SPD工艺有：持续剪切工艺(Conshearing )，多向锻造工艺(Multiple Forging，MF )等。经常使用的SPD法有以下三种： (1)等径角挤压技术 (2)高压扭转变形技术 (3)累积叠轧焊技术 本课题所采用的就是累积叠轧焊技术，以下将重点介绍。