D0I:10.13374/i.issnl001t053.2008.03.005 第30卷第3期 北京科技大学学报 Vol.30 No.3 2008年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2008 应变速率对电沉积纳米晶铜拉伸性能的影响 张含卓江中浩连建设 吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室，长春130022 摘要采用直流电沉积工艺，制备了平均晶粒尺寸为56m的致密纳米晶铜.室温下进行单向拉伸实验，发现纳米晶铜的 强度和韧性均随应变速率的升高而增大，特别是韧性的速率敏感十分显著.应变速率由1.04×10-5.1升至1.048一1时，断裂 应变由23.2%增至39.4%，同时抗拉强度由309MPa增至451MPa·这一现象可归因于两个方面：首先，纳米晶铜的应变硬化 行为随应变速率的升高而增大，从而使其均匀变形阶段的应变增加：其次，高应变速率下纳米品铜颈缩时发生晶粒转动，这有 助于其失稳阶段的应变增加： 关键词纳米晶铜：电沉积：应变速率：力学性能：塑性变形 分类号TG146.1+1;TG113.1 Strain rate effects on tensile properties of electrodeposited nanocrystalline Cu ZHA NG Han:huo,JIA NG Zhonghao,LIA N Jianshe Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Automobile Materials,College of Materials Science and Engineering:Jilin University, Changchun 130022.China ABSTRACT Fully dense nanocrystalline Cu with an average grain size of 56nm was synthesized by a direct-current electrodeposition technique.Tensile tests performed at room temperature indicated that both the strength and the ductility of the nanocrystalline Cu in- creased by the increment of strain rate,especially a pronounced strain rate dependence of tensile ductility was observed.As the strain rate was raised from 1.04X10to 1.04s the fracture strain increased from 23.2%to39.4%and the ultimate tensile strength increased from 309 MPa to 451 MPa.Two reasons might be responsible for this phenomenon.First,the strain hardening be- havior increased with increasing strain rate.resulting in an enhanced uniform elongation.Second,the collective grain-rotations were revealed when the nanocrystalline Cu necked at a higher strain rate.which contributed to the increase of strain after instability. KEY WORDS nanocrystalline copper:electrodeposition:strain rate:mechanical properties:plastic deformation 目前，纳米晶金属的机械性能和变形机制已成 影响纳米晶金属力学性能的因素是多方面的 为材料科学的研究热点，与传统粗晶金属相比，纳 对于纯金属而言，其内在因素主要是材料的微观结 米晶金属通常具有很高的强度和硬度，但韧性和塑 构和晶粒尺寸.Lu等[]采用电沉积法制备了纳米 性大幅下降山，分子动力学模拟)对这一现象研究 孪晶铜，发现高密度的孪晶结构使材料的强度和速 表明：当晶粒尺寸减小到100nm以下时，位错已经 率敏感性明显提高，同时他们发现)：以小角晶界 无法在晶粒内部产生和积聚，只能由晶界的一端运 为主的纳米晶金属具有很好的韧性，甚至在室温下 动到另一端.基于位错塞积理论的应变硬化机制减具有超塑延展性.而Ma等可通过晶粒尺寸双峰分 弱，使得纳米晶金属往往在塑性变形的初期就发生 布的方法，也使纳米材料的韧性明显提高。其外在 颈缩，如果晶粒尺寸继续减小到某一临界值，则塑 因素包括制备工艺]、实验温度、试样尺寸和应变 性变形将从位错机制逐渐过渡到晶界模式，这一理 速率等，其中应变速率的影响最受关注，Wamg等] 论目前还需要更多的实验结果来证实， 最先报道了纳米晶镍在室温蠕变时具有高的速率敏 收稿日期：2007-03-05修回日期：2007-07-02 感性，Karimpoor等8]则发现纳米晶钴的强度和韧 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(No.2004CB619301) 性均随应变速率的增大而下降，随后的研究发现， 作者简介：张含卓(1979一)，男，博士研究生：连建设(1953-)，男， 增大应变速率通常使纳米晶金属的强度升高、韧性 教授，博士 下降.但是也有例外，如L山等报道了具有异常速应变速率对电沉积纳米晶铜拉伸性能的影响 张含卓 江中浩 连建设 吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室‚长春130022 摘 要 采用直流电沉积工艺‚制备了平均晶粒尺寸为56nm 的致密纳米晶铜．室温下进行单向拉伸实验‚发现纳米晶铜的 强度和韧性均随应变速率的升高而增大‚特别是韧性的速率敏感十分显著．应变速率由1∙04×10－5s －1升至1∙04s －1时‚断裂 应变由23∙2％增至39∙4％‚同时抗拉强度由309MPa 增至451MPa．这一现象可归因于两个方面：首先‚纳米晶铜的应变硬化 行为随应变速率的升高而增大‚从而使其均匀变形阶段的应变增加；其次‚高应变速率下纳米晶铜颈缩时发生晶粒转动‚这有 助于其失稳阶段的应变增加． 关键词 纳米晶铜；电沉积；应变速率；力学性能；塑性变形 分类号 TG146∙1＋1；TG113∙1 Strain rate effects on tensile properties of electrodeposited nanocrystalline Cu ZHA NG Hanz huo‚JIA NG Zhonghao‚LIA N Jianshe Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Automobile Materials‚College of Materials Science and Engineering‚Jilin University‚ Changchun130022‚China ABSTRACT Fully dense nanocrystalline Cu with an average grain size of 56nm was synthesized by a direct-current electrodeposition technique．Tensile tests performed at room temperature indicated that both the strength and the ductility of the nanocrystalline Cu in￾creased by the increment of strain rate‚especially a pronounced strain rate dependence of tensile ductility was observed．As the strain rate was raised from 1∙04×10－5 s －1 to 1∙04s －1‚the fracture strain increased from 23∙2％ to 39∙4％‚and the ultimate tensile strength increased from 309MPa to451MPa．T wo reasons might be responsible for this phenomenon．First‚the strain hardening be￾havior increased with increasing strain rate‚resulting in an enhanced uniform elongation．Second‚the collective grain-rotations were revealed when the nanocrystalline Cu necked at a higher strain rate‚which contributed to the increase of strain after instability． KEY WORDS nanocrystalline copper；electrodeposition；strain rate；mechanical properties；plastic deformation 收稿日期：2007-03-05 修回日期：2007-07-02 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（No．2004CB619301） 作者简介：张含卓（1979－）‚男‚博士研究生；连建设（1953－）‚男‚ 教授‚博士 目前‚纳米晶金属的机械性能和变形机制已成 为材料科学的研究热点．与传统粗晶金属相比‚纳 米晶金属通常具有很高的强度和硬度‚但韧性和塑 性大幅下降［1］．分子动力学模拟［2］对这一现象研究 表明：当晶粒尺寸减小到100nm 以下时‚位错已经 无法在晶粒内部产生和积聚‚只能由晶界的一端运 动到另一端．基于位错塞积理论的应变硬化机制减 弱‚使得纳米晶金属往往在塑性变形的初期就发生 颈缩．如果晶粒尺寸继续减小到某一临界值‚则塑 性变形将从位错机制逐渐过渡到晶界模式．这一理 论目前还需要更多的实验结果来证实． 影响纳米晶金属力学性能的因素是多方面的． 对于纯金属而言‚其内在因素主要是材料的微观结 构和晶粒尺寸．Lu 等［3］采用电沉积法制备了纳米 孪晶铜‚发现高密度的孪晶结构使材料的强度和速 率敏感性明显提高．同时他们发现［4］：以小角晶界 为主的纳米晶金属具有很好的韧性‚甚至在室温下 具有超塑延展性．而 Ma 等［5］通过晶粒尺寸双峰分 布的方法‚也使纳米材料的韧性明显提高．其外在 因素包括制备工艺［6］、实验温度、试样尺寸和应变 速率等‚其中应变速率的影响最受关注．Wang 等［7］ 最先报道了纳米晶镍在室温蠕变时具有高的速率敏 感性‚Karimpoor 等［8］ 则发现纳米晶钴的强度和韧 性均随应变速率的增大而下降．随后的研究发现‚ 增大应变速率通常使纳米晶金属的强度升高、韧性 下降．但是也有例外‚如 Lu 等［9］报道了具有异常速 第30卷 第3期 2008年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．3 Mar．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．03．005