高层错能Cu-Mn合金拉-拉疲劳变形机理研究

【作者】 韩冬； 王泽宇； 颜莹； 石锋； 李小武；

【机构】 东北大学材料科学与工程学院材料物理与化学研究所；

【摘要】 大量的铜合金疲劳研究结果表明,层错能(SFE)在面心立方(fcc)金属的塑形变形机制转变过程中起着决定性的作用。例如,在Cu-Al或Cu-Zn合金中随着溶质元素含量的不断增加,其SFE不断降低,其位错滑移方式也由波状滑移逐步转变为平面滑移。然而,近些年来,鲜少的实验结果表明,溶质元素形成的短程序或短程序团簇同样是决定材料塑性变形中发生位错平面滑移的重要影响因素。因此,为了更好地研究SFE与短程序对fcc金属塑性变形机制的综合影响,本工作选用Cu-Mn单相合金作为研究对象进行拉-拉疲劳实验。不同于Cu-Al或Cu-Zn合金,该种合金的层错能随着Mn含量的增加基本保持不变(与纯铜的SFE值相当),但短程有序度增高。制备出晶粒尺寸约为150μm的Cu-Mn系列合金(Mn含量:5-20 at.%)样品,经750℃保温3小时后水淬,对其进行了恒应力幅下(△σ/2=115 MPa,R=0,f=0.5 Hz)的拉-拉疲劳实验。结果表明,随着Mn含量的增加,Cu-Mn合金的疲劳寿命升高;表面的损伤模式以滑移开裂为主,断口表面疲劳裂纹源区的微观特征从沿晶开裂转变为解理开裂,裂纹扩展区面积随着Mn含量升高逐渐扩大;最终瞬时断裂区的韧窝深度有所增大。对Cu-Mn合金疲劳断裂后变形微观结构的TEM观察发现,当Mn含量低于7at.%时,位错结构均呈现典型的波状滑移位错胞结构,尤其在Mn含量为7at.%时,局部区域观察到了类驻留滑移带(PSB)楼梯结构;当Mn含量达到15at.%,此时位错结构基本转变为典型的平面滑移结构,并观察到了多个开动的滑移系,个别晶界交汇处仍有少量胞结构存在,但晶粒内部基本为平面滑移结构,表明在具有应力集中的晶界交汇处易于位错交滑移的开动;随着Mn含量进一步升高到20at.%时,位错结构已经全部转变为平面滑移结构,并伴有少量层错形成。以上结果清晰表明,在层错能没有明显变化的情况下,随Mn含量的升高,Cu-Mn合金变形方式仍然发生由波状滑移向平面滑移方式的转变,这种转变减弱了合金在循环塑性变形过程中局部应变集中,从而导致合金疲劳寿命的升高。由此可知,除层错能外,短程有序的存在同样对Cu-Mn合金的疲劳变形机制具有重要的影响。更多还原