塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的制備與性能調(diào)控：微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系探究一、緒論1.1研究背景與意義在材料科學(xué)領(lǐng)域，超細(xì)晶金屬材料憑借其獨特的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，成為了研究的熱點之一。隨著科技的飛速發(fā)展，各行業(yè)對材料性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)粗晶材料已難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的嚴(yán)苛需求。超細(xì)晶金屬材料由于其晶粒尺寸處于亞微米至納米量級，擁有比粗晶材料更高的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性以及良好的物理和化學(xué)性能，在航空航天、電子、汽車、能源等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。銅及銅合金作為重要的金屬材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和加工性能，在電氣、電子、建筑、機(jī)械制造等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)對材料性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)粗晶銅及銅合金的性能已逐漸無法滿足一些高端領(lǐng)域的需求。例如，在航空航天領(lǐng)域，需要材料在保證高強(qiáng)度和良好導(dǎo)電性的同時，具備較輕的重量和優(yōu)異的耐疲勞性能；在電子領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備的小型化和高性能化，對銅及銅合金的導(dǎo)電性、散熱性和力學(xué)性能提出了更高的要求。通過晶粒細(xì)化制備塊體超細(xì)晶銅及銅合金，能夠顯著提升其綜合性能，從而滿足這些高端領(lǐng)域的應(yīng)用需求。塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金作為兩種重要的塊體超細(xì)晶銅合金材料，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。銅鉻鋯合金是一種典型的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，在該合金體系中，鋯（Zr）元素的含量對材料整體性能起著至關(guān)重要的作用，可有效抑制晶粒生長，確保材料在高溫工況下依然能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度、硬度以及導(dǎo)電性。塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金由于其獨特的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，具備更為優(yōu)異的綜合性能，在航空航天領(lǐng)域，可用于制造飛行器的關(guān)鍵部件，如發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)翼骨架等，利用其高強(qiáng)度、低密度和良好的耐疲勞性能，能夠有效減輕飛行器的重量，提高飛行性能和燃油效率；在電子領(lǐng)域，可用于制造高速電子器件的散熱部件和高性能導(dǎo)線，憑借其出色的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，能夠快速傳導(dǎo)電流和熱量，保證電子器件的穩(wěn)定運行。綜上所述，研究塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的制備及其性能具有重要的理論和實際意義。在理論方面，通過研究其制備過程中的晶粒細(xì)化機(jī)制、組織結(jié)構(gòu)演變以及性能變化規(guī)律，能夠深入揭示超細(xì)晶金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，豐富和完善材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論；在實際應(yīng)用方面，開發(fā)高性能的塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金材料，能夠滿足航空航天、電子等高端行業(yè)對材料性能的苛刻要求，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。1.2超細(xì)晶金屬材料概述1.2.1定義與特性超細(xì)晶金屬材料是指晶粒尺寸處于亞微米至納米量級（通常晶粒尺寸小于1μm）的金屬材料。與傳統(tǒng)粗晶金屬材料相比，超細(xì)晶金屬材料具有一系列獨特的性能優(yōu)勢，這些優(yōu)異性能源于其細(xì)小的晶粒尺寸和高比例的晶界。從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，超細(xì)晶金屬材料的晶粒細(xì)小且均勻，晶界面積大幅增加。晶界作為晶體結(jié)構(gòu)中的一種面缺陷，具有較高的能量和原子排列的不規(guī)則性。在超細(xì)晶金屬中，大量的晶界不僅阻礙了位錯的運動，還為位錯的增殖和交互作用提供了更多的場所，從而顯著提高了材料的強(qiáng)度。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越細(xì)小，材料的屈服強(qiáng)度越高。例如，在一些超細(xì)晶鋁合金中，其屈服強(qiáng)度相比傳統(tǒng)粗晶鋁合金可提高數(shù)倍，這使得超細(xì)晶金屬材料在需要承受高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件中具有巨大的應(yīng)用潛力。超細(xì)晶金屬材料還展現(xiàn)出良好的塑性和韌性。雖然一般認(rèn)為晶粒細(xì)化會導(dǎo)致材料塑性降低，但超細(xì)晶金屬通過晶界滑移、位錯滑移和孿生等多種協(xié)調(diào)變形機(jī)制，能夠在保證高強(qiáng)度的同時維持一定的塑性。當(dāng)材料受到外力作用時，晶界可以容納更多的位錯，使位錯在晶界處塞積的情況得到緩解，從而避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的過早斷裂，提高了材料的韌性。有研究表明，某些超細(xì)晶銅合金在室溫下的延伸率可達(dá)到20%以上，同時保持較高的強(qiáng)度，這一性能特點使其在航空航天等對材料綜合性能要求苛刻的領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。在物理性能方面，超細(xì)晶金屬材料的電導(dǎo)率也表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性。由于晶界對電子散射的影響，超細(xì)晶金屬的電導(dǎo)率在一定程度上會受到晶粒細(xì)化的影響。然而，通過合理的制備工藝和合金化設(shè)計，可以在提高材料強(qiáng)度的同時，盡量減少對電導(dǎo)率的負(fù)面影響。例如，對于塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金，通過精確控制制備過程中的工藝參數(shù)，可以在細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的同時，保持較高的電導(dǎo)率，滿足電氣領(lǐng)域?qū)Σ牧细邔?dǎo)電性能的需求。此外，超細(xì)晶金屬材料還具有較高的擴(kuò)散系數(shù)、較低的彈性模量等特性，這些特性使得超細(xì)晶金屬材料在催化、傳感器、能源存儲等領(lǐng)域也展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。1.2.2制備方法制備塊體超細(xì)晶金屬材料的方法眾多，每種方法都有其獨特的原理、工藝特點以及適用范圍。以下將介紹幾種常見的制備方法，并對它們的優(yōu)缺點進(jìn)行對比分析。等徑角變形（ECAP）：等徑角變形是一種通過使材料在特制模具中經(jīng)歷強(qiáng)烈塑性剪切變形來細(xì)化晶粒的方法。其模具由兩個具有相同橫截面積且相互交截的通道組成，兩通道相交的內(nèi)角為Φ，外角的外模角為Ψ。在擠壓過程中，試樣在壓力作用下從一個通道被擠壓到另一個通道，在通道相交處產(chǎn)生近似理想的純剪切變形。這種變形方式能夠在不改變試樣橫截面形狀和尺寸的情況下，通過反復(fù)擠壓使應(yīng)變量累積疊加，從而實現(xiàn)晶粒的細(xì)化，可將晶粒尺寸細(xì)化至亞微米甚至納米級。ECAP具有工藝簡單、成本低廉、變形均勻、材料組織致密度高、無污染等優(yōu)點，在基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用中得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。但該方法也存在一些局限性，例如生產(chǎn)效率較低，難以制備大尺寸的材料，且對模具的要求較高，模具的磨損較快。累積疊軋（ARB）：累積疊軋是將多層金屬板材進(jìn)行反復(fù)軋制和焊接的過程。在每一道次軋制中，板材被軋薄并通過界面的塑性變形和原子擴(kuò)散實現(xiàn)良好的結(jié)合，經(jīng)過多道次的累積疊軋，材料的晶粒逐漸細(xì)化。這種方法可以制備較大尺寸的塊體超細(xì)晶材料，且設(shè)備和工藝相對簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。然而，ARB制備的材料內(nèi)部可能存在殘余應(yīng)力和界面缺陷，這些缺陷可能會對材料的性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，并且在軋制過程中，板材的厚度和寬度會受到設(shè)備能力的限制。高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）：高壓扭轉(zhuǎn)是在高壓和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用下使材料發(fā)生劇烈塑性變形的方法。將圓盤狀試樣置于兩個平板之間，在施加高壓的同時進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，材料在高壓和剪切應(yīng)力的共同作用下發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，從而實現(xiàn)晶粒的細(xì)化。HPT能夠在較短時間內(nèi)使材料獲得極大的應(yīng)變量，制備出晶粒尺寸極細(xì)的超細(xì)晶材料。但該方法通常只能制備小尺寸的試樣，且設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。多向鍛造（MF）：多向鍛造是通過在多個方向上對材料進(jìn)行反復(fù)鍛造，使材料在不同方向上承受壓力和變形，從而實現(xiàn)晶粒的細(xì)化。這種方法可以改善材料的各向異性，提高材料的綜合性能，并且能夠制備較大尺寸的塊體材料。然而，MF工藝對設(shè)備的要求較高，操作較為復(fù)雜，生產(chǎn)效率相對較低，同時在鍛造過程中，材料的變形均勻性難以保證，可能導(dǎo)致材料性能的不均勻。不同的制備方法各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的材料要求、生產(chǎn)規(guī)模和成本等因素，選擇合適的制備方法或多種方法相結(jié)合，以獲得滿足性能需求的塊體超細(xì)晶金屬材料。1.3超細(xì)晶金屬材料性能研究現(xiàn)狀1.3.1沖擊韌性沖擊韌性是衡量材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞能力的重要指標(biāo)，對于超細(xì)晶金屬材料，其沖擊韌性的影響因素、變形機(jī)制和能量吸收機(jī)制都具有獨特性。從影響因素來看，晶粒尺寸是關(guān)鍵因素之一。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，隨著晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度通常會提高，但沖擊韌性的變化較為復(fù)雜。當(dāng)晶粒細(xì)化到一定程度時，晶界數(shù)量大幅增加，晶界作為位錯運動的障礙，能夠阻止裂紋的擴(kuò)展，從而提高沖擊韌性。然而，過度細(xì)化晶粒可能導(dǎo)致晶界處缺陷增多，晶界強(qiáng)度降低，反而使沖擊韌性下降。如在超細(xì)晶純銅的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒尺寸從5μm細(xì)化到0.5μm時，沖擊韌性先上升后下降，在1μm左右達(dá)到峰值，這表明存在一個最佳的晶粒尺寸范圍，使材料的強(qiáng)度和沖擊韌性達(dá)到較好的匹配。材料的化學(xué)成分也會對沖擊韌性產(chǎn)生顯著影響。合金元素的添加可以改變材料的晶體結(jié)構(gòu)、位錯運動特性以及晶界性質(zhì)，從而影響沖擊韌性。例如，在鋼鐵材料中加入適量的錳元素，可以提高材料的強(qiáng)度和韌性，這是因為錳元素能夠降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。而對于銅合金，加入少量的合金元素如鉻、鋯等，在細(xì)化晶粒的同時，還能通過析出強(qiáng)化等機(jī)制提高材料的強(qiáng)度和沖擊韌性。材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，如位錯密度、孿晶、第二相粒子等，也與沖擊韌性密切相關(guān)。較高的位錯密度在沖擊載荷下能夠通過位錯滑移和交互作用消耗能量，提高材料的韌性。孿晶在沖擊變形過程中可以通過孿晶的形成和生長來協(xié)調(diào)變形，阻礙裂紋的擴(kuò)展，從而提高沖擊韌性。第二相粒子的存在，若其尺寸、分布和形態(tài)合適，能夠阻礙位錯運動和裂紋擴(kuò)展，提高材料的強(qiáng)度和韌性；但如果第二相粒子粗大或分布不均勻，可能成為裂紋源，降低沖擊韌性。在沖擊過程中，超細(xì)晶金屬材料的變形機(jī)制主要包括位錯滑移、晶界滑移、孿生和相變等。位錯滑移是最基本的變形機(jī)制，在沖擊載荷下，位錯迅速運動并在晶界處塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，位錯會克服晶界的阻礙繼續(xù)滑移，或者通過其他變形機(jī)制來協(xié)調(diào)變形。晶界滑移在超細(xì)晶金屬中起著重要作用，由于晶界面積大，晶界原子的活動性較高，在沖擊載荷下，晶界能夠發(fā)生相對滑動，從而協(xié)調(diào)晶粒之間的變形，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。孿生也是一種重要的變形機(jī)制，特別是在面心立方金屬和密排六方金屬中，孿生能夠在瞬間改變晶體的取向，為后續(xù)的變形提供更多的滑移系，從而提高材料的變形能力和韌性。在一些具有相變特性的材料中，沖擊載荷還可能誘發(fā)相變，通過相變吸收能量，提高材料的沖擊韌性。能量吸收機(jī)制方面，超細(xì)晶金屬材料在沖擊過程中主要通過位錯運動、晶界滑移、孿生和裂紋擴(kuò)展等過程來吸收能量。位錯運動過程中，位錯與位錯之間、位錯與晶界之間的交互作用會消耗能量；晶界滑移時，晶界原子的相對運動也會吸收能量；孿生的形成需要消耗能量，且孿生過程中產(chǎn)生的大量界面能也會吸收能量；裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋尖端的塑性變形和斷裂表面的形成都需要消耗能量。這些能量吸收機(jī)制相互協(xié)同，共同決定了超細(xì)晶金屬材料的沖擊韌性。1.3.2熱穩(wěn)定性超細(xì)晶金屬材料由于其高比例的晶界和大量的晶格缺陷，使其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性成為研究的重點。熱穩(wěn)定性對于超細(xì)晶金屬材料在高溫應(yīng)用領(lǐng)域的可靠性和使用壽命至關(guān)重要，而晶界遷移和位錯運動等微觀過程對其熱穩(wěn)定性有著關(guān)鍵影響。研究超細(xì)晶金屬材料熱穩(wěn)定性的方法有多種，其中熱模擬實驗是常用的手段之一。通過熱模擬試驗機(jī)，可以精確控制材料的加熱速率、保溫溫度和時間等參數(shù)，模擬材料在實際高溫工況下的行為。在熱模擬實驗中，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析技術(shù)，觀察材料在加熱過程中的晶粒尺寸變化、晶界形態(tài)演變以及位錯結(jié)構(gòu)的變化，從而研究材料的熱穩(wěn)定性。例如，對超細(xì)晶鋁合金進(jìn)行熱模擬實驗，在不同溫度下保溫一定時間后，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高和保溫時間的延長，晶粒逐漸長大，晶界變得模糊，表明材料的熱穩(wěn)定性下降。差示掃描量熱法（DSC）也是研究熱穩(wěn)定性的重要方法。DSC通過測量材料在加熱或冷卻過程中的熱流變化，能夠準(zhǔn)確地檢測到材料內(nèi)部的相變、再結(jié)晶等熱事件，從而評估材料的熱穩(wěn)定性。當(dāng)超細(xì)晶金屬材料發(fā)生再結(jié)晶時，會伴隨著熱量的吸收或釋放，DSC曲線會出現(xiàn)相應(yīng)的吸熱峰或放熱峰，通過分析這些峰的位置、強(qiáng)度和形狀，可以了解再結(jié)晶的起始溫度、峰值溫度以及再結(jié)晶的程度等信息，進(jìn)而判斷材料的熱穩(wěn)定性。晶界遷移是影響超細(xì)晶金屬材料熱穩(wěn)定性的重要因素。在高溫下，晶界具有較高的能量，晶界原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，晶界會發(fā)生遷移以降低系統(tǒng)的能量。晶界遷移的驅(qū)動力主要來自于晶界能的降低和儲存能的釋放。當(dāng)晶粒長大時，晶界面積減小，晶界能降低；而材料在變形過程中儲存的大量位錯等缺陷，在高溫下通過位錯的攀移和滑移等方式釋放儲存能，也為晶界遷移提供了驅(qū)動力。晶界遷移的速率與溫度、晶界的性質(zhì)以及溶質(zhì)原子的存在等因素密切相關(guān)。溫度越高，晶界遷移速率越快；大角度晶界由于其原子排列的不規(guī)則性，遷移速率通常比小角度晶界快；溶質(zhì)原子的存在會偏聚在晶界處，形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，阻礙晶界的遷移，從而提高材料的熱穩(wěn)定性。例如，在超細(xì)晶銅中添加微量的磷元素，磷原子會偏聚在晶界，顯著抑制晶界遷移，提高材料的熱穩(wěn)定性。位錯運動在高溫下也會對超細(xì)晶金屬材料的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在變形后的超細(xì)晶金屬中，存在大量的位錯，這些位錯在高溫下具有較高的活動性。位錯可以通過攀移、滑移等方式相互作用，發(fā)生重組和湮滅，從而降低材料的位錯密度，釋放儲存能。位錯的運動還會導(dǎo)致亞晶界的形成和演變，亞晶界的遷移和合并也會引起晶粒的長大。當(dāng)位錯運動較為劇烈時，可能會加速晶粒的粗化過程，降低材料的熱穩(wěn)定性。通過控制位錯的運動，可以提高材料的熱穩(wěn)定性。例如，通過合適的熱處理工藝，使位錯形成穩(wěn)定的組態(tài)，如位錯胞結(jié)構(gòu)，能夠有效地抑制位錯的運動，從而提高材料的熱穩(wěn)定性。1.3.3電導(dǎo)性電導(dǎo)性是金屬材料的重要物理性能之一，對于超細(xì)晶金屬材料，其電導(dǎo)性的物理機(jī)制以及微觀結(jié)構(gòu)因素對其影響備受關(guān)注。在電子工業(yè)等領(lǐng)域，對材料的高導(dǎo)電性能有著嚴(yán)格的要求，因此研究超細(xì)晶金屬材料的電導(dǎo)性具有重要的實際意義。金屬的電導(dǎo)性源于自由電子在外加電場作用下的定向移動。在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，自由電子在晶格中自由移動，幾乎不受阻礙，此時金屬具有較高的電導(dǎo)率。然而，實際金屬中存在各種晶體缺陷，如晶格畸變、位錯、晶界以及雜質(zhì)原子等，這些缺陷會對自由電子的運動產(chǎn)生散射作用，增加電子的散射概率，從而降低材料的電導(dǎo)率。對于超細(xì)晶金屬材料，由于其晶粒尺寸細(xì)小，晶界面積大幅增加，晶界對電子的散射作用成為影響電導(dǎo)性的關(guān)鍵因素。晶界是晶體結(jié)構(gòu)中的一種面缺陷，晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的空位、間隙原子等缺陷，這些缺陷會破壞晶體的周期性勢場，使自由電子在晶界處發(fā)生散射。隨著晶粒尺寸的減小，晶界數(shù)量增多，晶界對電子的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。根據(jù)Mayadas-Shatzkes模型，晶界對電子的散射概率與晶粒尺寸成反比，即晶粒尺寸越小，晶界散射對電導(dǎo)率的影響越大。例如，在超細(xì)晶銀材料的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒尺寸從10μm減小到1μm時，電導(dǎo)率下降了約20%，這表明晶界散射對超細(xì)晶金屬電導(dǎo)率的影響顯著。除了晶界散射外，位錯和雜質(zhì)原子也會對超細(xì)晶金屬材料的電導(dǎo)性產(chǎn)生影響。位錯是晶體中的線缺陷，位錯周圍存在晶格畸變，會對自由電子產(chǎn)生散射作用。在變形后的超細(xì)晶金屬中，位錯密度較高，位錯對電子的散射會降低電導(dǎo)率。雜質(zhì)原子的存在也會破壞晶體的周期性勢場，當(dāng)雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與基體原子不同時，會引起電子云的畸變，增加電子的散射概率。雜質(zhì)原子還可能與基體原子形成化合物，這些化合物可能具有較低的電導(dǎo)率，從而降低材料整體的電導(dǎo)性。然而，通過合理的制備工藝和合金化設(shè)計，可以在一定程度上改善超細(xì)晶金屬材料的電導(dǎo)性。在制備過程中，采用合適的工藝參數(shù)，如控制變形溫度、應(yīng)變速率等，可以減少位錯的產(chǎn)生和晶界的缺陷，從而降低對電導(dǎo)率的負(fù)面影響。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，如退火處理，可以消除部分位錯和晶界缺陷，恢復(fù)晶體的周期性勢場，提高電導(dǎo)率。在合金化設(shè)計方面，選擇合適的合金元素，使其在固溶強(qiáng)化的同時，盡量減少對電導(dǎo)率的不利影響。例如，在銅合金中添加少量的鉻元素，鉻原子在固溶狀態(tài)下對銅的電導(dǎo)率影響較小，同時還能通過析出強(qiáng)化提高材料的強(qiáng)度，從而實現(xiàn)強(qiáng)度和電導(dǎo)率的良好平衡。1.4課題研究內(nèi)容與創(chuàng)新點1.4.1研究內(nèi)容塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的制備工藝研究：選用純度較高的銅及銅鉻鋯合金原材料，對其進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的油污、氧化層等雜質(zhì)，以保證后續(xù)制備過程的順利進(jìn)行。采用等徑角變形（ECAP）工藝，對模具的關(guān)鍵參數(shù)如內(nèi)角Φ、外角Ψ進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研究不同擠壓路徑（如A、Bc、C等路徑）、擠壓溫度、擠壓速率、擠壓道次以及摩擦系數(shù)和背壓等因素對材料晶粒細(xì)化效果的影響。通過實驗，確定制備塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的最佳工藝參數(shù)組合，以獲得晶粒尺寸細(xì)小且均勻的超細(xì)晶組織。塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的性能測試與分析：利用擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備沖擊試樣，在不同溫度條件下進(jìn)行沖擊韌性測試，研究沖擊韌性隨溫度的變化規(guī)律。結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對沖擊斷口進(jìn)行微觀分析，觀察斷口的形貌特征，如韌窩、解理面等，探討沖擊過程中的變形機(jī)制和斷裂機(jī)制。使用熱模擬試驗機(jī)，模擬材料在不同加熱速率、保溫溫度和時間條件下的熱行為，通過金相顯微鏡、SEM和TEM觀察晶粒尺寸變化、晶界遷移以及位錯結(jié)構(gòu)的演變，分析材料的熱穩(wěn)定性。采用差示掃描量熱法（DSC）測量材料在加熱和冷卻過程中的熱流變化，確定再結(jié)晶溫度、相變溫度等熱穩(wěn)定性參數(shù)，評估熱穩(wěn)定性。借助四探針法或渦流電導(dǎo)儀等設(shè)備，測量材料的電導(dǎo)率，研究不同制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)對電導(dǎo)率的影響。分析晶界散射、位錯以及雜質(zhì)原子等因素與電導(dǎo)率之間的定量關(guān)系，探索提高塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金電導(dǎo)性的方法。塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的微觀結(jié)構(gòu)表征：運用金相顯微鏡，對制備后的材料進(jìn)行金相觀察，初步了解材料的晶粒大小、形狀和分布情況。采用掃描電子顯微鏡（SEM），配備能譜儀（EDS），對材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率觀察，分析第二相粒子的尺寸、形態(tài)、分布以及與基體的界面結(jié)合情況。利用透射電子顯微鏡（TEM），觀察材料的位錯結(jié)構(gòu)、孿晶、亞晶界等微觀缺陷，研究晶粒細(xì)化機(jī)制和微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。通過電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)，測量材料的晶體取向分布、晶界特征等，分析材料的織構(gòu)類型和織構(gòu)強(qiáng)度，探討織構(gòu)對材料性能的影響。1.4.2創(chuàng)新點制備工藝創(chuàng)新：將等徑角變形（ECAP）與其他輔助工藝相結(jié)合，如在ECAP過程中施加超聲振動或電磁攪拌，研究復(fù)合工藝對塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金晶粒細(xì)化效果和組織均勻性的影響，探索新的制備工藝路徑。性能協(xié)同優(yōu)化：以往研究多側(cè)重于單一性能的提升，本研究致力于實現(xiàn)塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金沖擊韌性、熱穩(wěn)定性和電導(dǎo)性的協(xié)同優(yōu)化。通過精確控制制備工藝參數(shù)和合金成分，調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)，在提高強(qiáng)度的同時，改善沖擊韌性，保持良好的熱穩(wěn)定性和電導(dǎo)性，滿足多領(lǐng)域?qū)Σ牧暇C合性能的苛刻要求。微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究：綜合運用多種先進(jìn)的微觀表征技術(shù)，如高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子探針斷層掃描（APT）等，深入研究塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金在微觀尺度下的結(jié)構(gòu)特征，包括晶界結(jié)構(gòu)、位錯組態(tài)、第二相粒子的原子尺度分布等，建立微觀結(jié)構(gòu)與沖擊韌性、熱穩(wěn)定性和電導(dǎo)性之間的定量關(guān)系模型，為材料的性能優(yōu)化和設(shè)計提供更堅實的理論基礎(chǔ)。二、實驗材料與方法2.1實驗材料本實驗選用的銅原料為純度高達(dá)99.9%的電解銅，其雜質(zhì)含量極低，能夠有效減少雜質(zhì)對實驗結(jié)果的干擾，確保研究的準(zhǔn)確性和可靠性。這種高純度的電解銅具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，其初始晶粒尺寸較為均勻，平均晶粒尺寸約為50μm，為后續(xù)的晶粒細(xì)化研究提供了理想的基礎(chǔ)。銅鉻鋯合金原料則采用工業(yè)生產(chǎn)中常用的CuCrZr合金，其主要化學(xué)成分包括鉻（Cr）、鋯（Zr）以及銅（Cu）。其中，鉻的含量為0.5wt%-1.0wt%，鋯的含量為0.05wt%-0.2wt%，其余為銅。鉻元素在合金中主要起到固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用，能夠有效提高合金的強(qiáng)度和硬度；鋯元素則主要用于細(xì)化晶粒，抑制晶粒在高溫下的長大，從而提高合金的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。這種成分比例的銅鉻鋯合金在工業(yè)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景，如在電子、航空航天等領(lǐng)域用于制造高性能的導(dǎo)電部件和結(jié)構(gòu)件。在實驗前，對所有原材料進(jìn)行了嚴(yán)格的預(yù)處理。首先，采用化學(xué)清洗的方法去除表面的油污，將原材料浸泡在特定的化學(xué)清洗液中，通過化學(xué)反應(yīng)使油污分解并脫離材料表面。接著，利用機(jī)械打磨的方式去除表面的氧化層，使用砂紙對材料表面進(jìn)行細(xì)致打磨，直至露出光亮的金屬光澤，確保材料表面的純凈度。最后，對處理后的原材料進(jìn)行干燥處理，以防止水分對后續(xù)實驗過程產(chǎn)生影響，為后續(xù)的制備工藝提供良好的材料基礎(chǔ)。2.2制備方法2.2.1等徑角變形（ECAP）工藝等徑角變形（EqualChannelAngularPressing，ECAP）工藝作為制備塊體超細(xì)晶金屬材料的一種重要方法，具有獨特的原理和工藝特點。其模具是該工藝的關(guān)鍵部件，由兩個具有相同橫截面積且相互交截的通道構(gòu)成，兩通道相交的內(nèi)角記為Φ，外角的外模角記為Ψ。在實際操作中，將與模具通道形狀一致且經(jīng)過良好潤滑的試樣放入垂直通道，在壓頭壓力P的作用下，試樣從一個通道被擠壓到另一個通道。當(dāng)試樣經(jīng)過兩通道的相交處（彎曲部位）時，會在主要變形區(qū)產(chǎn)生近似理想的純剪切變形。這種變形方式的顯著優(yōu)勢在于，除試樣兩端頭部外，整個試樣的結(jié)構(gòu)和性能可視為均勻變形；而且在試樣橫截面形狀和尺寸大小不改變的情況下，可以通過反復(fù)擠壓變形使各道次變形的應(yīng)變量累積迭加，從而獲得相當(dāng)大的總應(yīng)變量，將較大的晶粒破碎細(xì)化成亞微米甚至納米級的超細(xì)晶晶粒。通過調(diào)整剪切方向和剪切面，還能夠獲得不同的微觀組織結(jié)構(gòu)，即獲得不同變形織構(gòu)，這使得可以根據(jù)材料性能來設(shè)計工藝參數(shù)，獲得理想的材料。在本次實驗中，所使用的ECAP設(shè)備為自主設(shè)計和制造的油壓式擠壓機(jī)，能夠提供穩(wěn)定且較大的擠壓力，最大擠壓力可達(dá)2000kN，確保材料在擠壓過程中能夠承受足夠的壓力以實現(xiàn)強(qiáng)烈塑性變形。模具采用高強(qiáng)度合金鋼制造，經(jīng)過特殊的熱處理工藝，使其具有良好的耐磨性和強(qiáng)度，能夠承受ECAP過程中的高壓和反復(fù)摩擦。模具的內(nèi)角Φ設(shè)計為90°，外模角Ψ為10°，這種角度組合能夠在保證試樣產(chǎn)生較大剪切變形的同時，減少模具的應(yīng)力集中，提高模具的使用壽命。變形道次是ECAP工藝中的一個重要參數(shù)，它直接影響材料的晶粒細(xì)化程度和組織均勻性。在實驗過程中，分別對塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金進(jìn)行了1道次、2道次、4道次和8道次的ECAP變形。研究發(fā)現(xiàn)，隨著變形道次的增加，材料的晶粒尺寸逐漸減小，組織均勻性逐漸提高。在1道次變形后，材料的晶粒雖然開始發(fā)生細(xì)化，但仍存在較大尺寸的晶粒，組織均勻性較差；經(jīng)過4道次變形后，晶粒尺寸明顯細(xì)化，大部分晶粒尺寸達(dá)到亞微米級，但仍存在少量較大尺寸的晶粒；當(dāng)變形道次增加到8道次時，材料的晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化且分布更加均勻，基本實現(xiàn)了超細(xì)晶組織的均勻化。擠壓速度對材料的變形行為和組織性能也有重要影響。本次實驗中，設(shè)置了0.1mm/s、0.5mm/s和1mm/s三種擠壓速度進(jìn)行對比研究。較低的擠壓速度（0.1mm/s）下，材料在變形過程中有足夠的時間進(jìn)行位錯運動和回復(fù)再結(jié)晶，能夠獲得較為均勻的細(xì)晶組織，但生產(chǎn)效率較低；隨著擠壓速度的提高（如1mm/s），材料的變形熱效應(yīng)顯著增強(qiáng)，可能導(dǎo)致局部溫度升高，引起晶粒的異常長大，從而影響材料的性能。綜合考慮，0.5mm/s的擠壓速度在保證材料性能的同時，具有較高的生產(chǎn)效率，是較為合適的擠壓速度參數(shù)。2.2.2其他輔助工藝在制備塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的過程中，除了采用等徑角變形（ECAP）工藝外，還結(jié)合了固溶處理和時效處理等輔助工藝，以進(jìn)一步優(yōu)化材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。固溶處理是將合金加熱到高溫奧氏體區(qū)保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。對于銅鉻鋯合金，固溶處理的主要目的是溶解合金中的鉻（Cr）和鋯（Zr）等強(qiáng)化相，使其均勻地分布在銅基體中，消除合金中不均勻的成分或相結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的時效處理做好準(zhǔn)備，同時提高材料的塑性和韌性。在本次實驗中，對銅鉻鋯合金進(jìn)行固溶處理時，將其加熱到950°C，保溫時間為2小時，然后迅速放入水中進(jìn)行淬火冷卻。在950°C的高溫下，鉻和鋯等強(qiáng)化相能夠充分溶解到銅基體中，形成均勻的單相固溶體；快速冷卻可以抑制強(qiáng)化相的析出，保持過飽和固溶體狀態(tài)。通過固溶處理，銅鉻鋯合金的塑性得到了顯著提高，為后續(xù)的ECAP變形提供了良好的加工性能。時效處理是在固溶處理后的金屬上進(jìn)行的一種熱處理工藝，通過在較低溫度下保持一段時間，使材料中的溶解相（如固溶體中的元素）重新析出為細(xì)小的析出相，以此來提升材料的硬度和強(qiáng)度。對于經(jīng)過固溶處理和ECAP變形后的銅鉻鋯合金，時效處理可以使過飽和固溶體中的鉻和鋯等元素以細(xì)小彌散的析出相形式從銅基體中析出，這些析出相能夠有效地阻礙位錯運動，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。實驗中，時效處理的工藝參數(shù)為加熱到450°C，保溫時間為4小時，然后隨爐冷卻。在450°C的時效溫度下，鉻和鋯等元素能夠逐漸從過飽和固溶體中析出，形成細(xì)小的析出相；適當(dāng)?shù)谋貢r間（4小時）可以保證析出相充分析出并均勻分布。通過時效處理，銅鉻鋯合金的強(qiáng)度和硬度得到了顯著提高，同時保持了較好的導(dǎo)電性和韌性。固溶處理和時效處理的合理應(yīng)用，能夠與等徑角變形工藝相互配合，實現(xiàn)塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金組織結(jié)構(gòu)和性能的協(xié)同優(yōu)化，滿足不同工程應(yīng)用對材料性能的多樣化需求。2.3性能測試方法2.3.1沖擊韌性測試采用擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)對塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的沖擊韌性進(jìn)行測試。該試驗機(jī)的工作原理基于能量守恒定律，擺錘在釋放后，利用其自身的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能沖擊試樣，通過測量擺錘沖擊前后的能量差，來確定試樣在沖擊過程中吸收的能量，即沖擊功。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，加工U型缺口沖擊試樣，其尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口深度為2mm，缺口角度為45°。在加工過程中，嚴(yán)格控制試樣的尺寸精度和表面粗糙度，確保缺口底部光滑，不存在與缺口軸線平行的明顯劃痕，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在進(jìn)行沖擊韌性測試前，首先使用游標(biāo)卡尺精確測量試樣的幾何尺寸，包括長度、寬度、厚度以及缺口處的橫截面尺寸，測量精度達(dá)到0.01mm。根據(jù)估計的材料沖擊韌性值，選擇合適量程的擺錘和表盤，確保測量結(jié)果在儀器的有效測量范圍內(nèi)。將試樣正確安裝在沖擊試驗機(jī)的支座上，使試樣的缺口位于沖擊刀刃的中心位置，且與沖擊方向垂直。測試時，將擺錘提升至規(guī)定的高度，使其具有一定的初始勢能，然后釋放擺錘，使其自由落下沖擊試樣。擺錘沖擊試樣后，會繼續(xù)擺動至一定高度，根據(jù)擺錘沖擊前后的高度變化，利用公式A_{K}=GL(\cos\beta-\cos\alpha)計算出沖擊功A_{K}，其中G為擺錘重力（N），L為擺長（擺軸到擺錘重心的距離，mm），\alpha為沖斷試樣前擺錘揚(yáng)起的最大角度，\beta為沖斷試樣后擺錘揚(yáng)起的最大角度。沖擊韌性的計算公式為\alpha_{K}=\frac{A_{K}}{S}，其中\(zhòng)alpha_{K}為沖擊韌性（J/cm^{2}），A_{K}為沖擊功（J），S為試樣缺口處的橫截面積（cm^{2}）。對每個材料狀態(tài)的試樣，進(jìn)行至少5次沖擊韌性測試，取其平均值作為該材料狀態(tài)的沖擊韌性值，并計算測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評估測試數(shù)據(jù)的離散性。2.3.2熱穩(wěn)定性測試采用差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）相結(jié)合的方式，對塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試。差示掃描量熱法（DSC）是一種在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度關(guān)系的技術(shù)。通過DSC測試，可以精確地檢測到材料在加熱或冷卻過程中的熱效應(yīng)，如相變、再結(jié)晶、熔化等熱事件，從而獲得材料的熱穩(wěn)定性信息。在本實驗中，使用的DSC設(shè)備為某型號的差示掃描量熱儀，該儀器具有高精度的溫度控制系統(tǒng)和高靈敏度的熱流傳感器，能夠準(zhǔn)確地測量微小的熱效應(yīng)。測試時，將約5mg-10mg的試樣置于DSC專用的坩堝中，以氧化鋁（Al_{2}O_{3}）作為參比物。在氮氣保護(hù)氣氛下，以10℃/min的加熱速率從室溫升溫至800℃，記錄試樣在加熱過程中的熱流變化曲線。氮氣保護(hù)氣氛的作用是防止試樣在加熱過程中發(fā)生氧化，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)DSC曲線，可以確定材料的再結(jié)晶起始溫度、峰值溫度以及相變溫度等熱穩(wěn)定性參數(shù)。再結(jié)晶起始溫度是指DSC曲線上開始出現(xiàn)明顯吸熱峰的溫度，此時材料開始發(fā)生再結(jié)晶；峰值溫度則是吸熱峰的最高點所對應(yīng)的溫度，代表再結(jié)晶過程最為劇烈的溫度；相變溫度是指材料發(fā)生相變時的溫度，在DSC曲線上表現(xiàn)為熱流的突變。熱重分析（TGA）是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。通過TGA測試，可以了解材料在加熱過程中的質(zhì)量變化情況，如是否發(fā)生氧化、分解、揮發(fā)等反應(yīng)，從而評估材料的熱穩(wěn)定性。本實驗使用的TGA設(shè)備為某型號的熱重分析儀，該儀器具有高精度的稱重系統(tǒng)和穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)。將約10mg-20mg的試樣置于TGA的坩堝中，同樣在氮氣保護(hù)氣氛下，以10℃/min的加熱速率從室溫升溫至800℃，記錄試樣在加熱過程中的質(zhì)量變化曲線。根據(jù)TGA曲線，可以分析材料在不同溫度區(qū)間的質(zhì)量變化情況，判斷材料是否發(fā)生了熱分解、氧化等反應(yīng)。如果在某個溫度區(qū)間內(nèi)，材料的質(zhì)量發(fā)生明顯下降，說明該材料在這個溫度范圍內(nèi)發(fā)生了分解或氧化等反應(yīng)，熱穩(wěn)定性較差；反之，如果材料的質(zhì)量在整個加熱過程中保持相對穩(wěn)定，說明其熱穩(wěn)定性較好。2.3.3電導(dǎo)率測試采用四探針法對塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的電導(dǎo)率進(jìn)行測試，四探針法是一種常用的測量材料電學(xué)性能的方法，具有測量精度高、操作簡便等優(yōu)點。其基本原理是基于歐姆定律，當(dāng)四根等間距的金屬探針排成一條直線，并以一定的壓力壓在被測材料表面時，在外側(cè)兩根探針（1、4探針）間通過恒定電流I，則在內(nèi)側(cè)兩根探針（2、3探針）間會產(chǎn)生電位差V。根據(jù)公式\rho=C\frac{V}{I}，可以計算出材料的電阻率\rho，其中C為探針系數(shù)，它與探針的幾何位置、樣品厚度和尺寸等因素有關(guān)。電導(dǎo)率\sigma是電阻率的倒數(shù)，即\sigma=\frac{1}{\rho}。本實驗使用的四探針測試儀為某型號的高精度四探針電阻率測試儀，該儀器具有穩(wěn)定的恒流源和高靈敏度的電壓測量模塊，能夠精確地測量微小的電位差。在測試前，首先對四探針測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保儀器的測量精度。將制備好的塊狀試樣表面進(jìn)行打磨和拋光處理，使其表面平整光滑，以保證探針與試樣之間的良好接觸。將試樣放置在四探針測試儀的樣品臺上，調(diào)整四探針的位置，使其垂直且均勻地壓在試樣表面，四根探針排成一條直線，探針間距為1mm。設(shè)置四探針測試儀的恒流源輸出電流I為1mA，測量內(nèi)側(cè)兩根探針間的電位差V，重復(fù)測量5次，取其平均值作為測量結(jié)果。根據(jù)測量得到的電位差V和已知的探針系數(shù)C，利用公式計算出材料的電阻率\rho，進(jìn)而得到電導(dǎo)率\sigma。對于不同制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)的塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金試樣，分別進(jìn)行電導(dǎo)率測試，分析制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)對電導(dǎo)率的影響規(guī)律。2.4微觀組織表征方法2.4.1光學(xué)顯微鏡（OM）觀察光學(xué)顯微鏡（OpticalMicroscope，OM）觀察在材料微觀組織研究中具有重要作用，它能夠直觀地呈現(xiàn)材料的晶粒大小、形狀和分布情況，為深入了解材料的組織結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)信息。在進(jìn)行OM觀察前，需要對試樣進(jìn)行嚴(yán)格的制備。首先，從經(jīng)過等徑角變形（ECAP）處理的塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金材料上切割下尺寸合適的試樣，通常為10mm×10mm×5mm左右。然后，使用砂紙對試樣進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，依次使用80目、240目、400目、600目、800目、1000目和1200目的砂紙，按照從粗到細(xì)的順序進(jìn)行打磨，以去除切割過程中產(chǎn)生的損傷層，使試樣表面平整光滑。在打磨過程中，要注意保持試樣的垂直度和平面度，避免出現(xiàn)傾斜和凹凸不平的情況。接著，對細(xì)磨后的試樣進(jìn)行拋光處理，采用機(jī)械拋光的方式，使用拋光機(jī)和拋光布，在拋光布上均勻地涂抹拋光膏，將試樣固定在拋光機(jī)的工作臺上，以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和壓力進(jìn)行拋光，直到試樣表面呈現(xiàn)出鏡面光澤，消除磨痕和劃痕。為了更好地顯示材料的晶粒組織，還需要對拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕處理。對于銅及銅鉻鋯合金，常用的腐蝕劑為FeCl?鹽酸溶液，其配方為5gFeCl?+50mlHCl+100mlH?O。將拋光后的試樣浸入腐蝕劑中，腐蝕時間根據(jù)材料的成分和組織特點進(jìn)行調(diào)整，一般為30s-2min。在腐蝕過程中，要密切觀察試樣表面的變化，當(dāng)表面出現(xiàn)均勻的腐蝕痕跡時，立即取出試樣，用清水沖洗干凈，然后用酒精清洗并吹干。完成試樣制備后，將其放置在光學(xué)顯微鏡的載物臺上，進(jìn)行觀察。調(diào)整顯微鏡的焦距和光圈，選擇合適的放大倍數(shù)，通常從50倍開始，逐漸增大到100倍、200倍、500倍和1000倍等，以便全面觀察材料的微觀組織。在觀察過程中，使用顯微鏡自帶的圖像采集系統(tǒng)，拍攝多個不同視場的微觀組織照片，每個放大倍數(shù)下至少拍攝5張照片，以確保觀察結(jié)果的代表性。通過對這些照片的分析，可以測量晶粒的尺寸，統(tǒng)計晶粒的數(shù)量和分布情況，觀察晶粒的形狀和取向，從而對材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有一個初步的認(rèn)識。2.4.2掃描電子顯微鏡（SEM）分析掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）在微觀組織分析中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠提供高分辨率的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像，幫助研究人員深入了解材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。SEM的工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用，當(dāng)高能電子束掃描樣品表面時，會與樣品中的原子相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子、特征X射線等信號。其中，二次電子對樣品表面的形貌非常敏感，其產(chǎn)額與樣品表面的起伏和原子序數(shù)有關(guān)，通過收集和檢測二次電子信號，可以獲得樣品表面的高分辨率形貌圖像；背散射電子則主要反映樣品中不同區(qū)域的原子序數(shù)差異，原子序數(shù)越大，背散射電子的產(chǎn)額越高，利用背散射電子成像可以觀察到樣品中不同相的分布情況。在使用SEM進(jìn)行分析前，需要對試樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。對于塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金試樣，首先要確保其表面平整、清潔，以保證電子束能夠與樣品表面充分相互作用。如果試樣表面存在油污、氧化層或其他雜質(zhì)，會影響電子信號的產(chǎn)生和收集，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。因此，在分析前，可使用丙酮、酒精等有機(jī)溶劑對試樣表面進(jìn)行超聲清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)。清洗后，將試樣自然晾干或用氮氣吹干。將處理好的試樣固定在SEM的樣品臺上，通常使用導(dǎo)電膠或雙面膠將試樣牢固地粘貼在樣品臺上，確保試樣在掃描過程中不會發(fā)生移動。調(diào)整樣品臺的位置，使試樣位于電子束的掃描范圍內(nèi)，并保證電子束能夠垂直照射到試樣表面。在進(jìn)行SEM觀察時，首先選擇較低的加速電壓，如5kV-10kV，進(jìn)行低分辨率的初步觀察，確定感興趣的區(qū)域。然后，逐步提高加速電壓，如15kV-30kV，以獲得更高分辨率的圖像。在觀察過程中，調(diào)整電子束的掃描速度、工作距離等參數(shù)，優(yōu)化圖像質(zhì)量。掃描速度過慢會導(dǎo)致成像時間過長，而掃描速度過快則可能會使圖像出現(xiàn)噪聲和模糊。工作距離也會影響圖像的分辨率和景深，一般來說，較小的工作距離可以獲得更高的分辨率，但景深會相應(yīng)減小。通過SEM觀察，可以清晰地看到塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，包括晶粒的形態(tài)、大小和分布，以及第二相粒子的尺寸、形狀和分布情況。結(jié)合能譜儀（EDS），還可以對材料中的元素進(jìn)行定性和定量分析，確定第二相粒子的化學(xué)成分。在觀察到第二相粒子時，選擇合適的區(qū)域進(jìn)行EDS分析，通過分析EDS譜圖中的特征峰，可以確定粒子中所含元素的種類和相對含量。例如，在銅鉻鋯合金中，通過EDS分析可以確定鉻、鋯等元素在第二相粒子中的分布情況，以及第二相粒子與基體之間的成分差異，為深入研究材料的組織結(jié)構(gòu)和性能提供重要依據(jù)。2.4.3透射電子顯微鏡（TEM）分析透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope，TEM）在研究晶體結(jié)構(gòu)、位錯等微觀結(jié)構(gòu)特征方面具有獨特的優(yōu)勢。Temu通過發(fā)射高能電子束穿透薄樣品，利用電子與樣品中原子的相互作用產(chǎn)生的散射、衍射等現(xiàn)象，來獲取樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息。由于電子的波長極短，Temu能夠提供極高的分辨率，可達(dá)到原子尺度，這使得它能夠觀察到材料中的晶體缺陷、位錯結(jié)構(gòu)、晶界特征以及第二相粒子的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。制備Temu試樣是一項精細(xì)且關(guān)鍵的工作，需要嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)。首先，從經(jīng)過等徑角變形（ECAP）處理的塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金材料上切割下厚度約為0.5mm-1mm的薄片。然后，使用砂紙對薄片進(jìn)行研磨，將其厚度減薄至約0.1mm-0.2mm，在研磨過程中要注意保持薄片的平整度，避免出現(xiàn)彎曲和厚薄不均的情況。接著，采用雙噴電解拋光的方法進(jìn)一步減薄試樣，將研磨后的薄片放入雙噴電解拋光裝置中，使用特定的電解液，在一定的電壓和電流條件下進(jìn)行電解拋光。對于銅及銅鉻鋯合金，常用的電解液為硝酸和甲醇的混合溶液，其體積比一般為1:3-1:5。在電解拋光過程中，要嚴(yán)格控制溫度、電壓和電流等參數(shù)，以確保試樣能夠均勻減薄，并在中心部位形成一個電子束能夠穿透的薄區(qū)。當(dāng)試樣中心出現(xiàn)一個透光的小孔時，停止電解拋光。最后，使用離子減薄技術(shù)對試樣進(jìn)行精細(xì)處理，進(jìn)一步改善試樣的質(zhì)量。將電解拋光后的試樣放入離子減薄儀中，通過離子束從試樣的兩面進(jìn)行轟擊，去除表面的損傷層和雜質(zhì)，使試樣的薄區(qū)更加均勻、干凈。在離子減薄過程中，要調(diào)整離子束的能量、角度和轟擊時間等參數(shù)，避免對試樣的微觀結(jié)構(gòu)造成損傷。將制備好的Temu試樣放置在透射電子顯微鏡的樣品桿上，插入顯微鏡中進(jìn)行觀察。在觀察前，需要對顯微鏡進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保電子束的穩(wěn)定性和成像質(zhì)量。首先，選擇較低的加速電壓，如80kV-100kV，進(jìn)行低倍觀察，確定試樣的整體結(jié)構(gòu)和感興趣的區(qū)域。然后，逐步提高加速電壓，如200kV-300kV，以獲得更高分辨率的圖像。在觀察過程中，可以使用選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，對選定區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過分析衍射斑點的分布和強(qiáng)度，確定晶體的取向、晶面間距等信息。例如，通過SAED分析可以確定塊體超細(xì)晶銅及銅鉻鋯合金中晶粒的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系，以及位錯與晶體結(jié)構(gòu)之間的相互作用。還可以利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTemu）觀察材料的原子排列，直接觀察到晶界處原子的排列方式、位錯的核心結(jié)構(gòu)以及第二相粒子與基體之間的界面結(jié)構(gòu)等，為深入研究材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系提供原子尺度的信息。三、塊體超細(xì)晶銅的制備與性能研究3.1微觀組織表征3.1.1原始粗晶銅的微觀組織在進(jìn)行等徑角變形（ECAP）處理之前，對原始粗晶銅的微觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和分析。通過光學(xué)顯微鏡（OM）觀察，原始粗晶銅呈現(xiàn)出典型的等軸晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸分布較為均勻，平均晶粒尺寸約為50μm。晶粒之間的晶界清晰可見，呈規(guī)則的多邊形，晶界處原子排列相對無序，具有較高的能量。從掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中，可以更清晰地看到晶界的微觀特征。晶界上存在一些雜質(zhì)原子的偏聚現(xiàn)象，這可能是由于在銅的冶煉和加工過程中，雜質(zhì)原子在晶界處的溶解度較高，從而聚集在晶界上。這些雜質(zhì)原子的偏聚可能會對晶界的性質(zhì)產(chǎn)生影響，如改變晶界的能量和原子擴(kuò)散速率。晶界上還存在一些位錯露頭，這表明在原始粗晶銅的制備過程中，已經(jīng)產(chǎn)生了一定數(shù)量的位錯。位錯是晶體中的一種線缺陷，它的存在會影響晶體的力學(xué)性能和物理性能。利用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)對原始粗晶銅的晶粒取向進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，晶粒取向呈現(xiàn)出隨機(jī)分布的特征，沒有明顯的擇優(yōu)取向。這意味著在原始粗晶銅中，各個晶粒的晶體學(xué)方向是隨機(jī)排列的，不存在特定的晶體學(xué)方向在材料中占主導(dǎo)地位的情況。這種隨機(jī)的晶粒取向分布使得原始粗晶銅在各個方向上的性能相對較為均勻，沒有明顯的各向異性。原始粗晶銅的微觀組織特征為后續(xù)研究ECAP變形對其微觀組織的影響提供了重要的基礎(chǔ)和對比依據(jù)。3.1.2ECAP變形不同道次銅的微觀組織演變在等徑角變形（ECAP）過程中，隨著變形道次的增加，塊體超細(xì)晶銅的微觀組織發(fā)生了顯著的演變。通過對不同道次ECAP變形后的銅進(jìn)行微觀組織觀察，深入了解了晶粒細(xì)化過程和位錯密度變化規(guī)律。經(jīng)過1道次ECAP變形后，光學(xué)顯微鏡（OM）圖像顯示，部分晶粒開始沿著變形方向被拉長，呈現(xiàn)出明顯的變形特征。在晶粒內(nèi)部，可以觀察到一些細(xì)小的滑移帶，這是由于位錯在晶體中滑移形成的。此時，晶粒的平均尺寸略有減小，但仍存在較大尺寸的晶粒，組織均勻性較差。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，晶界變得更加曲折，晶界處的位錯密度明顯增加。這是因為在ECAP變形過程中，強(qiáng)烈的塑性變形使得位錯大量增殖，并在晶界處塞積，導(dǎo)致晶界的形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。利用透射電子顯微鏡（Temu）對1道次變形后的銅進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)晶粒內(nèi)部存在大量的位錯纏結(jié)，形成了復(fù)雜的位錯網(wǎng)絡(luò)。這些位錯纏結(jié)相互交織，阻礙了位錯的進(jìn)一步運動，使得材料的強(qiáng)度得到一定程度的提高。由于位錯的大量存在，晶體內(nèi)部的晶格發(fā)生了畸變，導(dǎo)致晶體的能量升高。當(dāng)ECAP變形道次增加到4道次時，OM圖像顯示，晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，大部分晶粒的尺寸已經(jīng)減小到亞微米級。晶粒的形狀更加不規(guī)則，呈現(xiàn)出多邊化的趨勢。SEM圖像表明，晶界的密度顯著增加，晶界變得更加細(xì)小和均勻。此時，位錯密度依然較高，但相比1道次變形后，位錯的分布更加均勻。在Temu圖像中，可以看到位錯逐漸排列成亞晶界，形成了亞晶結(jié)構(gòu)。亞晶界的出現(xiàn)進(jìn)一步阻礙了位錯的運動，使得材料的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步提高。亞晶界的形成也為后續(xù)的再結(jié)晶過程提供了形核位點。經(jīng)過8道次ECAP變形后，OM和SEM觀察顯示，銅的微觀組織已經(jīng)基本實現(xiàn)了超細(xì)晶化，晶粒尺寸細(xì)小且均勻，平均晶粒尺寸達(dá)到了約200nm。晶粒呈等軸狀，晶界清晰且均勻分布。Temu觀察發(fā)現(xiàn)，位錯密度明顯降低，大部分位錯已經(jīng)通過相互作用而湮滅或被亞晶界吸收。此時，材料的微觀組織相對穩(wěn)定，具有較好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。EBSD分析表明，晶粒取向呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向，這是由于在ECAP變形過程中，晶體在特定方向上的滑移更容易發(fā)生，導(dǎo)致晶粒的取向逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)動。3.1.3微觀組織參數(shù)統(tǒng)計與分析為了更準(zhǔn)確地了解塊體超細(xì)晶銅在等徑角變形（ECAP）過程中的微觀組織變化，運用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)對微觀組織參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計與分析。通過EBSD技術(shù)，可以獲得晶粒取向、晶界角度等重要微觀組織參數(shù)。在晶粒取向方面，對不同ECAP變形道次的銅進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著變形道次的增加，晶粒取向的分布逐漸發(fā)生變化。在原始粗晶銅中，晶粒取向呈隨機(jī)分布，各個方向的取向概率基本相同。經(jīng)過1道次ECAP變形后，開始出現(xiàn)一定程度的擇優(yōu)取向，部分晶粒的特定晶向逐漸朝著變形方向轉(zhuǎn)動。隨著變形道次增加到4道次和8道次，擇優(yōu)取向更加明顯，某些晶向的取向密度顯著增加。例如，在8道次變形后，{111}晶面的取向密度在特定方向上明顯高于其他方向，形成了較為顯著的織構(gòu)。這種織構(gòu)的形成與ECAP變形過程中晶體的滑移和轉(zhuǎn)動密切相關(guān)，對材料的力學(xué)性能和物理性能會產(chǎn)生重要影響。對于晶界角度的統(tǒng)計分析表明，晶界角度分布也隨著ECAP變形道次的增加而發(fā)生改變。在原始粗晶銅中，大角度晶界（晶界角度大于15°）和小角度晶界（晶界角度小于15°）的比例相對較為穩(wěn)定。經(jīng)過ECAP變形后，大角度晶界的比例逐漸增加。在1道次變形后，大角度晶界比例略有上升；到4道次變形時，大角度晶界比例顯著增加，成為晶界的主要組成部分；8道次變形后，大角度晶界比例進(jìn)一步提高，達(dá)到了約80%。大角度晶界具有較高的能量和原子遷移率，其比例的增加會影響材料的強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散性能等。大角度晶界能夠阻礙位錯運動，提高材料的強(qiáng)度，但同時也可能增加晶界處的原子擴(kuò)散速率，對材料的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。還對晶粒尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計分析。通過EBSD數(shù)據(jù)分析軟件，測量了不同變形道次下銅的晶粒尺寸分布。結(jié)果顯示，隨著ECAP變形道次的增加，晶粒尺寸逐漸減小，且尺寸分布更加均勻。在原始粗晶銅中，晶粒尺寸分布范圍較寬，平均晶粒尺寸約為50μm。1道次變形后，晶粒尺寸開始減小，平均晶粒尺寸減小到約10μm，但仍存在較大尺寸的晶粒，尺寸分布不均勻。4道次變形后，平均晶粒尺寸進(jìn)一步減小到約1μm，且晶粒尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小，表明晶粒尺寸更加均勻。8道次變形后，平均晶粒尺寸達(dá)到約200nm，晶粒尺寸分布更加集中，均勻性良好。這種晶粒尺寸的細(xì)化和均勻化對材料的力學(xué)性能提升具有重要作用，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒尺寸的減小能夠顯著提高材料的強(qiáng)度。3.2沖擊韌性研究3.2.1準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能采用電子萬能試驗機(jī)對原始粗晶銅以及經(jīng)過不同道次等徑角變形（ECAP）的銅進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗，以深入研究其力學(xué)性能。拉伸試驗嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進(jìn)行。將加工好的拉伸試樣安裝在電子萬能試驗機(jī)的夾具上，確保試樣的軸線與拉伸力的方向一致，以避免偏心拉伸對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。設(shè)定拉伸速率為0.001mm/s，該速率能夠保證在準(zhǔn)靜態(tài)條件下材料充分變形，且避免應(yīng)變速率過快導(dǎo)致的慣性效應(yīng)等問題。在拉伸過程中，試驗機(jī)實時記錄力和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行處理。對于原始粗晶銅，其屈服強(qiáng)度較低，約為50MPa。這是因為粗晶銅中晶粒尺寸較大，晶界數(shù)量相對較少，位錯在晶界處的阻礙作用較弱，容易發(fā)生滑移，使得材料較早地進(jìn)入屈服階段。隨著拉伸的進(jìn)行，位錯不斷滑移和增殖，材料發(fā)生加工硬化，抗拉強(qiáng)度逐漸增加，最終抗拉強(qiáng)度達(dá)到約200MPa。然而，由于粗晶銅的加工硬化能力有限，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，材料無法通過加工硬化來抵抗進(jìn)一步的變形，導(dǎo)致頸縮現(xiàn)象的發(fā)生，延伸率較高，約為40%。這表明粗晶銅具有較好的塑性，但強(qiáng)度相對較低。經(jīng)過1道次ECAP變形后，銅的屈服強(qiáng)度顯著提高，達(dá)到約150MPa。這主要是由于ECAP變形引入了大量的位錯，位錯之間的相互作用和纏結(jié)增加了位錯運動的阻力，使得材料的屈服強(qiáng)度提高。同時，晶粒在變形過程中開始被拉長，晶界面積增加，晶界對塑性變形的阻礙作用也增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了屈服強(qiáng)度。隨著拉伸的進(jìn)行，位錯繼續(xù)滑移和增殖，加工硬化作用明顯，抗拉強(qiáng)度提高到約300MPa。由于晶粒的拉長和位錯的大量存在，材料的塑性受到一定影響，延伸率下降至約25%。隨著ECAP變形道次增加到4道次，銅的屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高到約250MPa。此時，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，位錯密度進(jìn)一步增加，晶界的阻礙作用更加顯著，使得屈服強(qiáng)度大幅提升。抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)提高到約400MPa。然而，由于晶粒細(xì)化和位錯密度的增加，材料的加工硬化速率逐漸降低，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，頸縮現(xiàn)象提前發(fā)生，延伸率下降至約15%。經(jīng)過8道次ECAP變形后，銅的屈服強(qiáng)度達(dá)到約350MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到約500MPa。此時，材料已實現(xiàn)超細(xì)晶化，晶粒尺寸細(xì)小且均勻，晶界面積大幅增加，晶界對塑性變形的阻礙作用達(dá)到最大，使得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都達(dá)到較高水平。由于超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的存在，材料的加工硬化能力較弱，頸縮現(xiàn)象較早發(fā)生，延伸率僅為約5%。通過對不同狀態(tài)銅的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能分析可知，隨著ECAP變形道次的增加，銅的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸提高，但延伸率逐漸下降，這表明晶粒細(xì)化在提高材料強(qiáng)度的同時，會對塑性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。3.2.2夏比沖擊性能為了研究不同微觀組織銅的沖擊韌性，采用夏比沖擊試驗進(jìn)行測試。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，制備U型缺口沖擊試樣，其尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口深度為2mm，缺口角度為45°。在制備過程中，嚴(yán)格控制試樣的尺寸精度和表面質(zhì)量，確保缺口底部光滑，不存在明顯的加工缺陷，以保證沖擊試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。使用擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)進(jìn)行沖擊試驗。在試驗前，首先對沖擊試驗機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，檢查擺錘的釋放機(jī)構(gòu)、能量測量系統(tǒng)等是否正常工作。根據(jù)估計的材料沖擊韌性值，選擇合適量程的擺錘，確保沖擊能量在儀器的有效測量范圍內(nèi)。將制備好的沖擊試樣安裝在沖擊試驗機(jī)的支座上，使試樣的缺口位于沖擊刀刃的中心位置，且與沖擊方向垂直。對原始粗晶銅進(jìn)行沖擊試驗，結(jié)果顯示其沖擊韌性較高，沖擊吸收功約為50J。這是因為粗晶銅的晶粒尺寸較大，晶界數(shù)量相對較少，在沖擊載荷作用下，位錯能夠在較大的晶粒內(nèi)自由滑移，通過位錯的滑移和攀移等方式消耗沖擊能量，從而表現(xiàn)出較高的沖擊韌性。粗晶銅的塑性較好，在沖擊過程中能夠發(fā)生較大的塑性變形，進(jìn)一步吸收沖擊能量。經(jīng)過1道次等徑角變形（ECAP）的銅，沖擊韌性有所下降，沖擊吸收功約為35J。這是由于ECAP變形引入了大量的位錯，位錯的存在增加了材料內(nèi)部的應(yīng)力集中點。在沖擊載荷作用下，位錯容易在晶界處塞積，形成較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展更容易發(fā)生，從而降低了沖擊韌性。晶粒的拉長也使得材料的各向異性增強(qiáng)，在沖擊過程中更容易沿著變形方向產(chǎn)生裂紋，進(jìn)一步降低了沖擊韌性。隨著ECAP變形道次增加到4道次，銅的沖擊韌性進(jìn)一步下降，沖擊吸收功約為20J。此時，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，晶界面積大幅增加。雖然晶界在一定程度上能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展，但由于晶界處存在較多的缺陷和位錯，晶界的強(qiáng)度相對較低。在沖擊載荷作用下，裂紋更容易在晶界處萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致沖擊韌性降低。晶粒細(xì)化還使得材料的加工硬化能力增強(qiáng)，塑性變形能力下降，在沖擊過程中無法通過大量的塑性變形來吸收沖擊能量，也導(dǎo)致沖擊韌性降低。經(jīng)過8道次ECAP變形的銅，沖擊韌性最低，沖擊吸收功約為10J。此時，材料已實現(xiàn)超細(xì)晶化，晶粒尺寸非常細(xì)小。超細(xì)晶結(jié)構(gòu)使得晶界的作用更加顯著，晶界處的缺陷和位錯密度更高，晶界強(qiáng)度更低。在沖擊載荷作用下，裂紋能夠迅速在晶界處萌生和擴(kuò)展，材料幾乎沒有足夠的塑性變形來吸收沖擊能量，導(dǎo)致沖擊韌性急劇下降。對沖擊斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，原始粗晶銅的斷口呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，斷口上布滿了大量的韌窩，韌窩尺寸較大且分布均勻。這表明在沖擊過程中，材料發(fā)生了大量的塑性變形，裂紋在擴(kuò)展過程中受到韌窩的阻礙，需要消耗大量的能量，從而表現(xiàn)出較高的沖擊韌性。經(jīng)過1道次ECAP變形的銅，斷口上除了韌窩外，還出現(xiàn)了一些解理面，韌窩尺寸相對減小。這說明在沖擊過程中，裂紋的擴(kuò)展既有塑性變形的貢獻(xiàn)，也有解理斷裂的成分，沖擊韌性有所下降。隨著ECAP變形道次的增加，解理面的比例逐漸增加，韌窩尺寸進(jìn)一步減小，到8道次ECAP變形后，斷口上主要以解理面為主，韌窩數(shù)量很少，呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，沖擊韌性極低。3.2.3沖擊應(yīng)變硬化行為在沖擊載荷作用下，塊體超細(xì)晶銅的應(yīng)變硬化行為對其沖擊韌性有著重要影響。通過對沖擊過程中材料的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，深入研究其應(yīng)變硬化機(jī)制。利用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置對原始粗晶銅以及經(jīng)過不同道次等徑角變形（ECAP）的銅進(jìn)行沖擊壓縮試驗。SHPB裝置主要由入射桿、透射桿、吸收桿和子彈等部分組成。在試驗過程中，通過氣槍發(fā)射子彈撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波傳播到試樣與入射桿的界面時，一部分應(yīng)力波被反射回入射桿，另一部分應(yīng)力波透射進(jìn)入試樣，使試樣發(fā)生動態(tài)壓縮變形。通過測量入射桿、反射桿和透射桿中的應(yīng)力波信號，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，可以計算出試樣在沖擊過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。對于原始粗晶銅，在沖擊初期，由于晶粒尺寸較大，位錯能夠在晶粒內(nèi)部自由滑移，位錯滑移是主要的變形機(jī)制。隨著沖擊應(yīng)變的增加，位錯在晶界處開始塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時，位錯會通過攀移等方式克服晶界的阻礙，繼續(xù)滑移。位錯之間也會發(fā)生相互作用和纏結(jié)，形成位錯胞等亞結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生應(yīng)變硬化。原始粗晶銅的應(yīng)變硬化主要是通過位錯的滑移、攀移和相互作用來實現(xiàn)的。由于晶粒尺寸較大，位錯的活動空間較大，應(yīng)變硬化速率相對較低。經(jīng)過1道次ECAP變形的銅，由于引入了大量的位錯，在沖擊過程中，位錯的滑移和增殖更加容易發(fā)生。位錯之間的相互作用和纏結(jié)更加劇烈，形成了復(fù)雜的位錯網(wǎng)絡(luò)。晶界對塑性變形的阻礙作用也增強(qiáng)，位錯在晶界處的塞積更加明顯。此時，應(yīng)變硬化不僅來自位錯的滑移和相互作用，晶界的阻礙作用也對應(yīng)變硬化做出了重要貢獻(xiàn)。與原始粗晶銅相比，1道次ECAP變形后的銅應(yīng)變硬化速率明顯提高。隨著ECAP變形道次增加到4道次，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，晶界面積大幅增加。在沖擊過程中，晶界的作用更加顯著，晶界能夠有效地阻礙位錯的運動，使位錯在晶界處大量塞積。位錯還會在晶界的作用下發(fā)生增殖，形成更多的位錯。除了位錯的滑移和晶界的阻礙作用外，孿晶也開始在沖擊變形過程中發(fā)揮作用。由于晶粒細(xì)化，晶體中的應(yīng)力集中更容易誘發(fā)孿晶的形成。孿晶的形成和生長可以協(xié)調(diào)晶粒之間的變形，阻礙裂紋的擴(kuò)展，同時也會增加材料的應(yīng)變硬化。4道次ECAP變形后的銅應(yīng)變硬化速率進(jìn)一步提高，且應(yīng)變硬化機(jī)制更加復(fù)雜。經(jīng)過8道次ECAP變形的銅，已實現(xiàn)超細(xì)晶化，晶粒尺寸非常細(xì)小。在沖擊過程中，晶界成為主要的變形和強(qiáng)化機(jī)制。位錯在晶界處的塞積和增殖非常明顯，晶界的滑動和遷移也會發(fā)生。由于晶粒尺寸細(xì)小，孿晶的形成更加容易，孿晶在協(xié)調(diào)變形和阻礙裂紋擴(kuò)展方面發(fā)揮著重要作用。由于超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的存在，材料的位錯存儲能力有限，當(dāng)位錯密度達(dá)到一定程度后，位錯的滑移和增殖變得困難，應(yīng)變硬化速率逐漸降低。8道次ECAP變形后的銅在沖擊初期具有較高的應(yīng)變硬化速率，但隨著沖擊應(yīng)變的增加，應(yīng)變硬化速率會迅速下降。在沖擊過程中，位錯運動、孿晶形成等對塊體超細(xì)晶銅的應(yīng)變硬化行為有著重要影響。隨著ECAP變形道次的增加，應(yīng)變硬化機(jī)制逐漸從以位錯滑移為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃Ы缱璧K和孿晶協(xié)調(diào)變形為主，應(yīng)變硬化速率也呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。3.3熱穩(wěn)定性研究3.3.1退火過程中力學(xué)性能演變對經(jīng)過8道次等徑角變形（ECAP）后的塊體超細(xì)晶銅進(jìn)行不同溫度和時間的退火處理，深入研究退火過程中其力學(xué)性能的演變規(guī)律。使用維氏硬度計測量退火后銅的硬度，加載載荷為500g，加載時間為15s，每個試樣在不同位置測量5次，取平均值作為該試樣的硬度值。利用電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為0.001mm/s，測量退火后銅的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。在較低溫度（100℃）下退火時，隨著退火時間的延長，硬度略有下降，但下降幅度較小。這是因為在該溫度下，原子的擴(kuò)散能力較弱，位錯的運動和回復(fù)過程較為緩慢，材料的微觀結(jié)構(gòu)變化不明顯，所以硬度基本保持穩(wěn)定。當(dāng)退火時間從1h延長到4h時，硬度僅從150HV下降到145HV。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也僅有微小的降低，屈服強(qiáng)度從350MPa降低到340MPa，抗拉強(qiáng)度從500MPa降低到490MPa。這表明在100℃的退火溫度下，塊體超細(xì)晶銅的力學(xué)性能相對穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性較好。當(dāng)退火溫度升高到200℃時，硬度下降較為明顯。隨著退火時間的增加，硬度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。在退火時間為1h時，硬度為130HV；當(dāng)退火時間延長到4h時，硬度下降到110HV。這是因為在200℃下，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，位錯開始發(fā)生攀移和滑移，部分位錯相互作用而湮滅，導(dǎo)致位錯密度降低，材料發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶的趨勢增強(qiáng)，從而使硬度下降。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨之下降，屈服強(qiáng)度從320MPa降低到300MPa，抗拉強(qiáng)度從460MPa降低到440MPa。此時，材料的力學(xué)性能開始受到退火溫度和時間的顯著影響，熱穩(wěn)定性有所下降。在300℃退火時，硬度下降更為顯著。退火1h后，硬度降至90HV；退火4h后，硬度進(jìn)一步下降到70HV。在這個溫度下，再結(jié)晶過程明顯加快，大量的新晶粒形核并長大，位錯密度大幅降低，晶界結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致材料的硬度和強(qiáng)度大幅下降。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低到250MPa和380MPa。此時，塊體超細(xì)晶銅的力學(xué)性能發(fā)生了較大變化，熱穩(wěn)定性較差。通過以上實驗結(jié)果可以看出，隨著退火溫度的升高和退火時間的延長，塊體超細(xì)晶銅的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，這表明退火過程對其力學(xué)性能有顯著影響，且溫度和時間是影響熱穩(wěn)定性的重要因素。3.3.2退火過程中微觀組織演變借助金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（Temu）等微觀分析技術(shù)，對經(jīng)過不同溫度和時間退火處理后的塊體超細(xì)晶銅的微觀組織演變進(jìn)行深入觀察和分析。在100℃退火時，金相顯微鏡觀察顯示，晶粒尺寸基本保持不變，平均晶粒尺寸仍約為200nm。這是因為在該溫度下，原子的擴(kuò)散激活能較低，原子的擴(kuò)散速率較慢，晶界遷移和晶粒長大的驅(qū)動力不足，所以晶粒尺寸沒有明顯變化。SEM觀察進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，晶界依然清晰且均勻分布，晶界處沒有明顯的位錯聚集和遷移現(xiàn)象。Temu觀察表明，位錯密度略有降低，但降低幅度較小，仍存在一定數(shù)量的位錯纏結(jié)。這說明在100℃退火時，材料主要發(fā)生了位錯的短程運動和少量的回復(fù)過程，微觀組織相對穩(wěn)定。當(dāng)退火溫度升高到200℃時，金相顯微鏡下可以觀察到部分晶粒開始長大，晶粒尺寸出現(xiàn)一定的不均勻性。平均晶粒尺寸略有增加，達(dá)到約250nm。這是由于在200℃下，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，晶界遷移的驅(qū)動力增大，部分高能晶界開始發(fā)生遷移，導(dǎo)致晶粒長大。SEM圖像顯示，晶界變得更加曲折，晶界處的位錯密度明顯降低。這是因為位錯在晶界處發(fā)生了攀移和滑移，部分位錯相互作用而湮滅，使得晶界處的位錯密度降低。Temu觀察發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了一些再結(jié)晶核心，這些再結(jié)晶核心是由位錯的重新排列和聚集形成的。隨著退火時間的延長，再結(jié)晶核心逐漸長大，開始吞噬周圍的變形晶粒。在300℃退火時，金相顯微鏡下可以看到晶粒顯著長大，平均晶粒尺寸增大到約500nm。此時，再結(jié)晶過程基本完成，大部分晶粒已經(jīng)被新生成的等軸晶粒所取代。SEM觀察顯示，晶界變得更加平直，晶界密度降低。這是因為在再結(jié)晶過程中，大量的小晶粒合并成大晶粒，晶界面積減小，晶界變得更加平直。Temu觀察表明，位錯密度大幅降低，幾乎觀察不到明顯的位錯纏結(jié)。此時，材料的微觀組織已經(jīng)基本恢復(fù)到接近原始粗晶狀態(tài)，熱穩(wěn)定性較差。通過對不同溫度退火處理后塊體超細(xì)晶銅微觀組織的觀察和分析可知，隨著退火溫度的升高，晶粒逐漸長大，位錯密度降低，再結(jié)晶過程逐漸發(fā)生并完成，微觀組織發(fā)生了顯著的演變，從而導(dǎo)致材料的熱穩(wěn)定性發(fā)生變化。3.3.3熱穩(wěn)定性機(jī)制分析結(jié)合退火過程中微觀組織演變和力學(xué)性能變化，深入探討塊體超細(xì)晶銅的熱穩(wěn)定性機(jī)制。在較低溫度退火時，原子的擴(kuò)散能力較弱，位錯主要通過短程滑移和攀移進(jìn)行回復(fù)。位錯的回復(fù)過程使得位錯密度略有降低，材料的內(nèi)應(yīng)力得到一定程度的釋放，從而導(dǎo)致硬度和強(qiáng)度略有下降。由于原子擴(kuò)散速率慢，晶界遷移困難，晶粒尺寸基本保持不變，微觀組織相對穩(wěn)定，所以材料在較低溫度下具有較好的熱穩(wěn)定性。隨著退火溫度的升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，位錯的運動更加活躍。位錯不僅發(fā)生短程運動，還能夠進(jìn)行長程遷移和相互作用。位錯之間的相互作用導(dǎo)致位錯的湮滅和重組，位錯密度顯著降低。晶界的遷移能力也增強(qiáng)，晶界開始移動，晶粒逐漸長大。在這個過程中，材料的硬度和強(qiáng)度進(jìn)一步下降。由于微觀組織開始發(fā)生明顯變化，晶粒長大和位錯密度降低使得材料的熱穩(wěn)定性下降。當(dāng)退火溫度升高到再結(jié)晶溫度以上時，再結(jié)晶過程開始發(fā)生。再結(jié)晶是通過新的無畸變晶粒的形核和長大來實現(xiàn)的。在再結(jié)晶過程中，位錯密度大幅降低，晶界結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。新生成的再結(jié)晶晶粒具有較低的位錯密度和較高的穩(wěn)定性，它們逐漸吞噬周圍的變形晶粒，使得材料的微觀組織逐漸恢復(fù)到接近原始粗晶狀態(tài)。此時，材料的硬度和強(qiáng)度大幅下降，熱穩(wěn)定性較差。塊體超細(xì)晶銅的熱穩(wěn)定性主要取決于位錯運動、晶界遷移和再結(jié)晶等微觀過程。較低溫度下，位錯回復(fù)主導(dǎo)熱穩(wěn)定性；溫度升高，晶界遷移和再結(jié)晶逐漸成為影響熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。通過控制退火溫度和時間，可以有效地調(diào)控材料的微觀組織和熱穩(wěn)定性，為塊體超細(xì)晶銅的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。3.4電導(dǎo)性研究3.4.1電導(dǎo)率測試結(jié)果與分析采用四探針法對原始粗晶銅以及經(jīng)過不同道次等徑角變形（ECAP）的銅進(jìn)行電導(dǎo)率測試，測試結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，原始粗晶銅的電導(dǎo)率較高，達(dá)到了5.8×10?S/m，這是因為粗晶銅的晶體結(jié)構(gòu)較為完整，晶界數(shù)量相對較少，對自由電子的散射作用較弱，自由電子能夠在晶格中較為順暢地移動，從而具有較高的電導(dǎo)率。經(jīng)過1道次ECAP變形后，銅的電導(dǎo)率略有下降，降至5.5×10?S/m。這主要是由于ECAP變形引入了大量的位錯，位錯作為晶體中的線缺陷，其周圍存在晶格畸變，會對自由電子的運動產(chǎn)生散射作用，增加電子的散射概率，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。在1道次變形過程中，晶粒開始發(fā)生變形，晶界也變得更加曲折，晶界處的原子排列不規(guī)則性增加，這也會增強(qiáng)對電子的散射作用。隨著ECAP變形道次增加到4道次，銅的電導(dǎo)率進(jìn)一步下降至5.0×10?S/m。此時，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，晶界面積大幅增加，晶界對電子的散射作用顯著增強(qiáng)。大量的晶界成為自由電子運動的障礙，電子在晶界處頻繁散射，導(dǎo)致電導(dǎo)率明顯降低。由于位錯密度的進(jìn)一步增加，位錯與位錯之間的相互作用也更加復(fù)雜，進(jìn)一步增加了電子的散射概率，使得電導(dǎo)率下降更為明顯。經(jīng)過8道次ECAP變形后，銅的電導(dǎo)率降至4.5×10?S/m。在這個階段，材料已經(jīng)實現(xiàn)了超細(xì)晶化，晶粒尺寸非常細(xì)小，晶界數(shù)量極多，晶界散射成為影響電導(dǎo)率的主要因素。細(xì)小的晶粒使得電子在晶界處的散射更加頻繁，導(dǎo)致電導(dǎo)率大幅下降。雖然在8道次變形過程中，部分位錯可能通過相互作用而湮滅或被亞晶界吸收，但晶界散射的主導(dǎo)作用使得電導(dǎo)率仍然保持在較低水平。樣品狀態(tài)電導(dǎo)率（S/m）原始粗晶銅5.8×10?1道次ECAP變形銅5.5×10?4道次ECAP變形銅5.0×10?8道次ECAP變形銅4.5×10?3.4.2電導(dǎo)性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，晶界、位錯等因素對塊體超細(xì)晶銅的電導(dǎo)性有著顯著影響。晶界作為晶體中的面缺陷，晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的空位、間隙原子等缺陷，這些缺陷會破壞晶體的周期性勢場，使自由電子在晶界處發(fā)生散射。根據(jù)Mayadas-Shatzkes模型，晶界對電子的散射概率與晶粒尺寸成反比，即晶粒尺寸越小，晶界數(shù)量越多，晶界對電子的散射作用越強(qiáng)，電導(dǎo)率下降越明顯。在塊體超細(xì)晶銅的制備過程中，隨著ECAP變形道次的增加，晶粒逐漸細(xì)化，晶界面積不斷增大，晶界散射對電導(dǎo)率的影響逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率逐漸降低。在8道次ECAP變形后，晶粒尺寸達(dá)到約200nm，晶界面積大幅增加，晶界散射成為主導(dǎo)因素，使得電導(dǎo)率降至4.5×10?S/m。位錯是晶體中的線缺陷，位錯周圍存在晶格畸變，同樣會對自由電子產(chǎn)生散射作用。在ECAP變形過程中，大量的位錯被引入，位錯密度不斷增加。位錯與位錯之間的相互作用、位錯與晶界的相互作用都會增加電子的散射概率。在1道次ECAP變形后，位錯密度的增加使得電導(dǎo)率略有下降；隨著變形道次的增加，位錯密度進(jìn)一步增大，位錯與位錯、位錯與晶界之間的相互作用更加復(fù)雜，對電導(dǎo)率的影響也更加顯著。然而，當(dāng)位錯密度達(dá)到一定程度后，部分位錯可能通過相互作用而湮滅或被亞晶界吸收，這在一定程度上會緩解位錯對電導(dǎo)率的負(fù)面影響。在8道次變形過程中，雖然位錯仍然對電導(dǎo)率有一定影響，但晶界散射的主導(dǎo)作用使得位錯的影響相對減弱。塊體超細(xì)晶銅的電導(dǎo)性與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，晶界散射和位錯散射是導(dǎo)致電導(dǎo)率下降的主要原因。通過控制制備工藝，優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，如減少晶界缺陷、降低位錯密度等，可以在一定程度上改善塊體超細(xì)晶銅的電導(dǎo)性。四、塊體超細(xì)晶銅鉻鋯合金的制備與性能研究4.1合金成分設(shè)計與優(yōu)化銅鉻鋯合金的成分設(shè)計遵循多種強(qiáng)化機(jī)制協(xié)同作用的原則，旨在綜合提升合金的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性等性能。在合金中