高纯铝单晶拉伸性能及断口形貌分析

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1 引言

铝单晶是面心立方结构的金属晶体，因晶体内无晶界，降低了电阻和信号衰减，提高其传输的清晰度和保真性，在通信和音响设备方面具有广泛用途；单晶中减少了晶界对位错运动的阻碍作用[1]，使其具有优异的冷加工变形能力。单晶铝应用于导电及信号传输中多为丝材，原始棒材需要进行数次冷拔变形，因而研究单晶体的力学性能对单晶的工业应用有实际意义。

本文通过对两组高纯铝单晶试样（φ10mm）进行不同方向加载的拉伸实验，分析铝单晶试样的力学性能、变形后滑移线痕迹及断口形貌，为铝单晶棒材至线材的冷变形加工提供依据。

2 实验材料与方法

2.1 试样尺寸及设备

实验所用原料为5N纯度高纯铝。在自制定向凝固提纯炉中制备大尺寸高纯铝锭。锯切获得高纯铝单晶样棒。拉伸试样尺寸如图1所示。拉伸试验在CMT5105电子万能试验机上进行。利用OLYMPUS GX51光学显微镜观察试样圆截面及横截面的滑移带痕迹。利用EVO50扫描电镜对拉伸试样断口形貌进行观察分析。

3 实验结果与分析

3.1 力学性能

表1所示为铝单晶试样拉伸性能数据。不同方向加载时单晶铝棒材的力学性能有很大差别。试样1-1与1-2为相同方向加载，试样2-1与2-2为相同方向加载。分析不同方向加载时，试样滑移面与开动滑移系不同，造成宏观的力学性能差别较大。试样1-1相比试样2-1抗拉强度提高23.6%，延伸率提高58.8%。单晶铝线材加工应用过程中晶体取向及加载方向极为重要[2]。

图1 拉伸试样尺寸（mm）及拉伸后照片

表1 不同方向加载的铝单晶力学性能对比

图2 铝单晶拉伸曲线

图3 铝单晶拉伸试样滑移线分析

图4 铝单晶拉伸试样的断裂形貌

单晶铝具有FCC晶格结构。典型的FCC晶格单晶体塑性变形具有三个阶段。第一阶段为易滑移阶段。处于易滑移阶段，加工硬化率很低，滑移线细而长且分布均匀。加工硬化速率对晶体位向和杂质十分敏感。滑移线上的位错数很大。第二阶段为线性硬化阶段。处于线性硬化阶段，加工硬化率很高，且与应变量呈线性关系。加工硬化率对合金成分及晶体位向不敏感。每根滑移线上位错数大致不变。第三阶段为抛物线硬化阶段。处于此阶段，加工硬化速率降低。曲线呈抛物线型。内部组织出现滑移带。随着变形量的增加，滑移都集中于滑移带内，滑移带之间不再出现新的滑移痕迹，而在滑移带内可以看到交滑移。

图2所示为不同方向加载时铝单晶试样的拉伸曲线。曲线在b点之前为弹性变形，b点之后为塑性变形。b-c段有较短距离的线性硬化阶段。c-d段为明显的抛物线硬化阶段。d点之后进入颈缩阶段，伸长量进一步增加，试样断裂。分析铝单晶的拉伸曲线，有较明显的抛物线硬化阶段，加工硬化速率低，试样强度低、伸长率大。

3.2 滑移变形分析

铝单晶为面心立方晶体结构，拉伸变形中滑移总是沿着密排面及密排方向进行。FCC晶体具有12个滑移系，加载方向不同时启动滑移系数目不同，则试样宏观变形量不同。图1（b）所示为不同加载方向试样1-1与2-1拉伸后照片。由于特定方向的滑移变形，拉伸试样圆形截面变为椭圆状。试样1-1宏观表面有明显拉伸变形带，变形带较长且相互平行。试样2-1宏观表面有可见拉伸变形带，变形带窄且均匀分布。试样表面可见沿不同方向的变形痕迹，推测为多个滑移系开动造成。

图3（a）、（b）为试样1-1的圆截面与横截面显微组织图像，可见明显滑移变形带。不同滑移带相互平行。滑移带中可见较细且相互平行的滑移线。1-1（a）圆截面显微组织中滑移带的端部存在“碎化现象”，即相互连接的滑移带的侧向移动现象。

试样2-1圆截面显微组织中无可见的滑移线及滑移带，显示为撕裂状变形组织。横截面显微组织中可见细密平行的滑移线。

3.3 断口形貌

图4所示为铝单晶试样1-1和2-1拉伸试样的宏观及微观断口形貌。由图4（a）可看出试样断裂前发生极大塑性变形，断口呈双锥状，均为韧性断裂。低倍下观察断口形貌可见明显滑移线，且滑移线相互平行。高倍下可见台阶状滑移带。由于铝单晶断裂为纯剪切断裂，高倍下观察断口为光滑片层，推测为剪切断裂中延伸区形貌[3]。

4 结论

自制定向凝固提纯炉制备铝单晶拉伸试样。不同方向加载时，铝单晶抗拉强度及延伸率有较大差别。观察试样金相显微组织，由于内部滑移变形不同，一种方向加载的拉伸试样可见明显滑移带及滑移线，另一方向加载试样无可见滑移线仅能观察到撕裂状变形组织和横截面的细密滑移线。观察铝单晶拉伸试样断口形貌，低倍下可见明显滑移线及台阶状滑移带。铝单晶断裂机理为剪切断裂。