.268 北京科技大学学报 第30卷 率敏感的纳米晶铜，其强度和韧性均随应变速率的 (GADDS)分析试样拉伸后不同区域的织构和位错 增大而升高，本文采用电沉积技术制备了高致密度 密度变化.检测区域的面积为7.85×10-3mm2,由 的大块纳米晶铜.通过室温单向拉伸实验，研究应 试样断口处至试样的未变形区逐个选取：断口处每 变速率对纳米晶铜拉伸性能的影响， 隔0.06mm选取一个检测区域以减小误差；其余部 1实验过程 分每隔0.5mm选取一个检测区域. 2结果和讨论 以钛板为阴极衬底，通过直流电沉积方法在碱 性电解液中制备了厚度约1.2mm的纳米晶铜沉积 2.1显微组织 层.基础电解液组成为：Cus045H0,200gL-1; XRD分析结果表明：沉积层由单一面心立方结 NH2CH2CH2NH2,160 g.L;(NH4)2S04.45 构的Cu相组成，具有明显的(200)晶面织构，平均 gL;N(CH2C00H)3,20gL1.工作温度为室 晶粒尺寸为33nm,平均微应变为0.21%.图1(a) 温，沉积完毕，通过机械方法将纳米晶铜从阴极剥 为纳米晶铜的TEM显微组织形貌，其中左上角为 离，采用D/max2500PC型X射线衍射仪(XRD)和 选区电子衍射花样。可以看出，晶粒没有明显的结 8O0型透射电镜(TEM)分析其晶体结构和显微 晶取向，某些晶粒内含有李晶，一些10~20nm的 组织，采用阿基米德浮力法测得纳米晶铜的密度为 晶粒形成了明显的团簇状组织，晶粒尺寸分布较 8.92士0.02gam一3，与纯铜的理论密度值极为接近. 宽，个别晶粒大于100nm,但大多数晶粒在20~ 采用线切割方法从沉积层上获得拉伸所用的板 60nm之间.图1(b)为纳米晶铜的晶粒尺寸分布图 状试样，试样表面经过打磨并抛光，其工作部分长 可以看出，尺寸大于60nm的晶粒在个数分数统计 8mm,宽2.5mm,厚度在0.96~1mm之间.室温下 图中仅占7%，但其体积分数却达到34%.按体积 采用MTS810系统进行单向静拉伸实验，应变速率 分数计算，纳米晶铜的平均晶粒尺寸为56nm,这一 ()范围在1.04×10-5~1.04s1之间.采用JSM- 结果与XRD结果差别较大，原因在于电沉积纳米晶 5600型扫描电镜(SEM)观察试样的断口和变形区 金属中往往存在由小角晶界构成的团簇，而小角 形貌，采用D8 Discovery型面探微区X射线衍射仪 晶界在TEM中难以辨别， ) 18 (b) 12 6 8 0 50 nm 102030405060708090100110120 晶粒尺寸/am 图1纳米晶铜的TEM显微组织形貌(a)及晶粒尺寸分布() Fig.1 TEM bright field micrograph (a)and grain size distribution plot of nanocrystalline Cu (b) 2.2拉伸性能 有升高，而抗拉强度(，)的升高更加明显，由309 图2(a)为纳米晶铜在不同应变速率下的真应 MPa升至451MPa·另一方面，纳米晶铜的韧性也 力应变（σ一）曲线.可以看出，纳米晶铜的屈服强 随着应变速率的增大而升高，断裂应变由23.2%增 度(oo.2)约为170MPa,是粗晶铜的3倍左右，随着 至39.4%.这种异常的速率敏感性与粗晶铜的性能 应变速率由1.04×10-5s1增大到1.04s1,00.2略 完全不同，除文献[9]外也未有类似报道.通常材料率敏感的纳米晶铜‚其强度和韧性均随应变速率的 增大而升高．本文采用电沉积技术制备了高致密度 的大块纳米晶铜．通过室温单向拉伸实验‚研究应 变速率对纳米晶铜拉伸性能的影响． 1 实验过程 以钛板为阴极衬底‚通过直流电沉积方法在碱 性电解液中制备了厚度约1∙2mm 的纳米晶铜沉积 层．基础电解液组成为：CuSO4·5H2O‚200g·L －1 ； NH2CH2CH2NH2‚160 g ·L －1 ；（ NH4）2SO4‚45 g·L －1 ；N（CH2COOH）3‚20g·L －1．工作温度为室 温．沉积完毕‚通过机械方法将纳米晶铜从阴极剥 离‚采用 D／max 2500PC 型 X 射线衍射仪（XRD）和 H－800型透射电镜（TEM）分析其晶体结构和显微 组织．采用阿基米德浮力法测得纳米晶铜的密度为 8∙92±0∙02g·cm －3‚与纯铜的理论密度值极为接近． 采用线切割方法从沉积层上获得拉伸所用的板 状试样．试样表面经过打磨并抛光‚其工作部分长 8mm‚宽2∙5mm‚厚度在0∙96～1mm 之间．室温下 采用 MTS810系统进行单向静拉伸实验‚应变速率 （ε · ）范围在1∙04×10－5～1∙04s －1之间．采用 JSM－ 5600型扫描电镜（SEM）观察试样的断口和变形区 形貌．采用 D8Discovery 型面探微区 X 射线衍射仪 （GADDS）分析试样拉伸后不同区域的织构和位错 密度变化．检测区域的面积为7∙85×10－3 mm 2‚由 试样断口处至试样的未变形区逐个选取：断口处每 隔0∙06mm 选取一个检测区域以减小误差；其余部 分每隔0∙5mm 选取一个检测区域． 2 结果和讨论 2∙1 显微组织 XRD 分析结果表明：沉积层由单一面心立方结 构的 Cu 相组成‚具有明显的（200）晶面织构．平均 晶粒尺寸为33nm‚平均微应变为0∙21％．图1（a） 为纳米晶铜的 TEM 显微组织形貌‚其中左上角为 选区电子衍射花样．可以看出‚晶粒没有明显的结 晶取向‚某些晶粒内含有孪晶．一些10～20nm 的 晶粒形成了明显的团簇状组织．晶粒尺寸分布较 宽‚个别晶粒大于100nm‚但大多数晶粒在20～ 60nm之间．图1（b）为纳米晶铜的晶粒尺寸分布图． 可以看出‚尺寸大于60nm 的晶粒在个数分数统计 图中仅占7％‚但其体积分数却达到34％．按体积 分数计算‚纳米晶铜的平均晶粒尺寸为56nm．这一 结果与 XRD 结果差别较大‚原因在于电沉积纳米晶 金属中往往存在由小角晶界构成的团簇［9］‚而小角 晶界在 TEM 中难以辨别． 图1 纳米晶铜的 TEM 显微组织形貌（a）及晶粒尺寸分布（b） Fig．1 TEM bright field micrograph （a） and grain size distribution plot of nanocrystalline Cu （b） 2∙2 拉伸性能 图2（a）为纳米晶铜在不同应变速率下的真应 力－应变（σ－ε）曲线．可以看出‚纳米晶铜的屈服强 度（σ0∙2）约为170MPa‚是粗晶铜的3倍左右．随着 应变速率由1∙04×10－5s －1增大到1∙04s －1‚σ0∙2略 有升高‚而抗拉强度（σb ）的升高更加明显‚由309 MPa 升至451MPa．另一方面‚纳米晶铜的韧性也 随着应变速率的增大而升高‚断裂应变由23∙2％增 至39∙4％．这种异常的速率敏感性与粗晶铜的性能 完全不同‚除文献［9］外也未有类似报道．通常材料 ·268· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷