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[学位]

微纳尺度单晶渗碳体力学行为的原位电镜研究

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Author:

党晨啸 (党晨啸.)

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Abstract:

高强高韧化一直以来都是钢铁材料研发的主攻方向。渗碳体作为钢铁材料中最为重要的组成相,其形态、尺寸及晶体学取向均会对钢铁的综合性能产生巨大影响。很久以前人们就发现,微纳尺度渗碳体在某些条件下具有良好的塑韧性,这一力学特性明显不同于微米尺度以上的大渗碳体的硬脆性,在此基础上,渗碳体细化被作为一种成本低效果好的强韧化方法广泛应用于线钢、轨钢等重要钢种中。然而至今为止,由于渗碳体正交晶体结构的复杂性以及实验技术条件的限制,人们至今仍未能针对独立的微纳尺度渗碳体的本征力学行为进行定量研究,对微观变形机制的认识仍然存在诸多争论。
本课题以过共晶白口铸铁中的微米级一次渗碳体为研究对象,利用电子背散射衍射(EBSD)对抛光面上的条状渗碳体进行取向筛选,并通过聚焦离子束(FIB)选择特定晶向的单晶渗碳体提取渗碳体薄片,再在薄片边缘制备纳米力学样品,最后利用透射电子显微镜及原位力学测试系统对不同取向及不同尺寸渗碳体进行原位压缩及原位拉伸实验。采用上述方法,本项目共研究了[11¯8],[014],[12¯1],[111],[136]及[001]六个取向的渗碳体的力学行为,研究结果发现:1)渗碳体的塑性变形能力与晶体取向强烈相关。以直径在200 nm左右的渗碳体圆柱为例,[136]取向的样品表现出优异的均匀塑性变形能力,应力应变曲线表明,变形过屈服点后能够继续发生连续的塑性流动,塑性应变高达~10%,且不发生加工硬化;相比之下,其它5个取向则几乎没有均匀塑性变形能力。2)从非连续塑性变形到连续变形的转变尺寸也与晶体取向密切相关。[11¯8]和[014]取向的样品其尺寸从~200 nm减小到~100 nm时,塑性变形特征由单个大应变突跳转变为多个小突跳,而[12¯1]和[111]两个取向则没有发生此转变。3)对弹性模量的分析结果表明,模量的分布范围为40.8~112.4 GPa,且同一取向的渗碳体弹性模量随着尺寸减小而降低,这是由于样品在FIB加工过程中引入了一层较软的非晶表面层,从而形成外软内硬的核壳结构,样品尺寸越小,软的非晶层所占的体积分数越高,从而导致模量越低。4)对滑移面的分析确认了(101)面是室温下渗碳体可以启动的滑移面。5)通过对[001]取向单晶渗碳体的原位拉伸实验,得到了其弹性模量与弹性极限分别为~200 GPa和~2.15%,并且发现无论有无电子束辐照,其变形均以单个大应变突跳的方式进行。原位压缩实验中塑性变形能力有所提升的主要原因为FIB导致的表层非晶软壳在压应力下对样品有更好的束缚作用。

Keyword:

单晶渗碳体 各向异性 核壳结构 力学性能

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 单智伟

Year: 2019

Language: Other

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 5

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