镍铜与镍非晶两种层状复合材料的力学性能研究

镍/铜与镍/非晶两种层状复合材料的力学性能研究近年来,由于超细晶金属材料和非晶合金材料具有较高的强度以及良好的耐磨性等优异的性能而被广泛研究。但是,人们发现高强材料的塑性往往比较低。高强度材料中虽然疲劳裂纹不易萌生,可以增加疲劳裂纹萌生阶段的寿命,但是一旦疲劳裂纹萌生,裂纹的扩展速率与同类的粗晶样品相比却又往往更快。为此,本文设计了两种具有不同厚度比的镍/铜层状复合材料和镍/铁基非晶三明治结构复合材料,探索改善高强材料的塑性及疲劳性能的新方法。首先,采用双槽电沉积的方法制备了四种具有不同厚度比的镍/铜层状复合材料。复合材料当中镍层的晶粒尺寸为超细晶,并且保持固定的厚度,通过改变铜层的厚度来控制层状复合材料的厚度比。在室温下,对四种具有不同厚度比的镍/铜层状复合材料进行拉伸及疲劳实验,对材料的力学性能进行研究。然后采用电沉积的方法,在固定厚度的铁基非晶合金条带两侧电镀不同厚度的超细晶镍层制备三明治结构的复合材料。在室温下对具有不同厚度镍层的超细晶镍/非晶合金/超细晶镍复合材料进行拉伸实验,对材料的拉伸及断裂行为进行研究。不同厚度比的镍/铜层状复合材料的实验结果表明:当镍层与铜层的厚度比为9.0:1时,镍/铜层状复合材料不仅具有较高的拉伸（1360MPa及疲劳强度（350MPa）,同时它也具有较为良好的塑性以及优异的疲劳比（疲劳强度与抗拉强度的比值）。在拉伸实验中,较薄铜层的引入可以有效地延缓超细晶镍层的局部颈缩,从而导致更均匀的变形。在疲劳载荷条件下,超薄铜层及超细晶镍层的组合可以导致疲劳裂纹形成台阶状的三维扩展路径,这一独特的扩展路径使得疲劳裂纹在各个方向均具有较大的扩展阻力,从而提升了材料的疲劳强度。不同厚度镍层的超细晶镍/铁基非晶合金三明治结构的复合材料的拉伸实验结果表明:由于两侧的镍层对非晶层的束缚,镍层主导了非晶层剪切带的萌生和稳定扩展行为。在层状复合材料中,两侧镍层的束缚会导致非晶层剪切断裂平面上的切应力下降,镍层越厚切应力下降的越明显。剪切断裂平面上光滑区域尺寸的变化表明了切应力的下降促进了主剪切带的稳定扩展。从而延缓了非晶层的失稳断裂,有效地提升了复合材料的塑性。