ECAP制備超細(xì)晶材料的組織

從ECAP變形過(guò)程的模擬得出：等通道擠壓模具的設(shè)計(jì)、擠壓道次、變形方式、擠壓速度和擠壓溫度等對(duì)材料的組織影響極大。研究純鋁表明，當(dāng)=90°，Ψ為任何角度，一道次應(yīng)變量都接近1，材料獲得等軸的、大角度晶界超細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)。純鈦在室溫ECAP變形過(guò)程中顯微組織的演化分為3個(gè)階段，其中1，2道次為第一階段，位錯(cuò)滑移和孿生交互作用為其晶粒細(xì)化機(jī)制，變形最為強(qiáng)烈；2~4道次為第二階段，動(dòng)態(tài)回復(fù)為組織演化機(jī)制；4道次以后為第三階段，細(xì)化機(jī)制為晶界轉(zhuǎn)動(dòng)，微觀結(jié)構(gòu)主要為大角度晶界的等軸晶。Segal認(rèn)為，同一坯料擠壓方式不同，多道次擠壓后材料產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)也不同。經(jīng)方式A擠壓后試樣內(nèi)形成兩個(gè)相交成60°的剪切面，剪切在兩個(gè)剪切面上交替進(jìn)行；經(jīng)方式B擠壓后形成4個(gè)不同的剪切面和剪切方向，擠壓在這些剪切面上交替進(jìn)行；而方式C中，剪切總是在相同的剪切面上進(jìn)行，每相鄰道次間的剪切方向相反，ECAP中相鄰兩次擠壓間剪切平面間夾角對(duì)晶粒細(xì)化效果的影響非常大。杜忠澤等通過(guò)觀察Q235經(jīng)ECAP變形切變面和垂直面的組織得出：ECAP的Bc方式比其它方式能更有效地細(xì)化晶粒；W.H.Huang在室溫下對(duì)方式Bc和C作了比較，發(fā)現(xiàn)兩種方式得到的組織類似，隨著溫度升高，Bc方式獲得了更多的細(xì)晶組織；擠壓速度對(duì)晶粒尺寸的影響不大，只對(duì)晶粒的均勻分布有一定影響。此外，R.Z.Valiev等指出材料初始微觀結(jié)構(gòu)、相組成、試樣在加工過(guò)程滑移系統(tǒng)對(duì)ECAP組織也有重要的作用。

對(duì)于時(shí)效析出型兩相合金，ECAP過(guò)程中晶粒的細(xì)化速度不及固溶態(tài)單相合金，主要由于第二相粒子θ′的影響，隨著擠壓道次的增加，θ′粒子被破碎、旋轉(zhuǎn)而細(xì)化，第6道次以后幾乎全部溶入基體中，發(fā)生顯著的晶粒細(xì)化。對(duì)于共析出型的多相合金，ECAP可迅速細(xì)化晶粒，使第二相滲碳體顆粒發(fā)生破碎、頸縮扭曲變形及部分溶解。盡管以上各種因素對(duì)晶粒細(xì)化水平和組織特征都有不同程度的影響，但非平衡晶界是ECAP制備超細(xì)晶材料微觀組織的共同特征，通過(guò)觀察這些金屬的變形組織可以發(fā)現(xiàn)ECAP變形組織的許多共同特點(diǎn)：一是材料中粗大的晶粒在一道次擠壓后被破碎成一系列具有小角度的亞晶，亞晶界位錯(cuò)較少，主要依靠幾條甚至一條位錯(cuò)線滑移，沿一定方向拉長(zhǎng)呈帶狀結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸明顯從幾百微米細(xì)化到幾微米甚至亞微米級(jí)；二是材料具有大量的晶界面積，而且晶界結(jié)構(gòu)不完整。

ECAP制備超細(xì)晶材料的性能

1.力學(xué)特性

Hall-Petch關(guān)系式很好地說(shuō)明了晶粒大小與材料屈服強(qiáng)度的關(guān)系，當(dāng)晶粒達(dá)到亞微米時(shí)，材料力學(xué)特性得到了很大改善。如TA1純鈦經(jīng)120°模具8道次室溫ECAP變形后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為710，791MPa，伸長(zhǎng)率為19.0％。結(jié)合ECAP和熱處理工藝制備鋁合金，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)特性得到明顯提高，在之后對(duì)純鋁的研究表明：其強(qiáng)度隨道次增加而增加，伸長(zhǎng)率在一道次擠壓降低50％后基本保持不變。邊麗萍等采用2A+4BA+2A和改進(jìn)型擠壓方式BC-UD2分別對(duì)兩種不同的合金擠壓8道次考察其力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)綜合性能顯著提高，表明通過(guò)組合基本路徑細(xì)化晶粒兼顧第二相的均勻分散來(lái)進(jìn)一步提高材料力學(xué)特性具有可行性。ECAP超細(xì)晶材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著的特點(diǎn)：變形初始階段具有很高的應(yīng)變強(qiáng)化率，可達(dá)到較高的屈服強(qiáng)度，材料屈服后的應(yīng)變強(qiáng)化率很小，但具有很高的伸長(zhǎng)率，主要由于晶粒細(xì)化隨著道次的增多而不再明顯，累積的強(qiáng)烈塑性變形所產(chǎn)生的位錯(cuò)和晶界的扭轉(zhuǎn)使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得以發(fā)生，位錯(cuò)較容易地滑至晶界處而消失，削弱了合金的加工硬化程度。這也說(shuō)明除了晶粒大小，晶界處的缺陷密度等對(duì)超細(xì)晶的力學(xué)行為也產(chǎn)生了重要影響。

2.熱穩(wěn)定性

超細(xì)晶材料的熱穩(wěn)定性的影響因素有晶粒尺寸、晶界位錯(cuò)的分布和密度、第二相粒子的熱穩(wěn)定性等。如7475鋁合金經(jīng)250，300℃多道次ECAP變形，平均晶粒尺寸達(dá)到0.3，0.5μm。由于劇烈ECAP變形產(chǎn)生的大量析出相有效釘扎晶界，得到的亞微晶晶粒比室溫ECAP具有更好的組織穩(wěn)定性。A.Vinogradov等對(duì)Cu-Cr-Zr合金的研究表明，ECAP變形后時(shí)效處理得到了超細(xì)晶Cr亞穩(wěn)沉淀相，該沉淀相向粗大、穩(wěn)定的B.C.C結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，只有在高溫和長(zhǎng)時(shí)間退火時(shí)才得以發(fā)生。當(dāng)時(shí)效溫度為500℃，仍有很高的位錯(cuò)密度，溫度為650~700℃時(shí)晶粒明顯長(zhǎng)大。斯志軍對(duì)ECAP變形后的純銅進(jìn)行了不同溫度再結(jié)晶退火的實(shí)驗(yàn)研究，得出：材料再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大時(shí)，抗拉強(qiáng)度大幅下降，得知純銅經(jīng)ECAP后再結(jié)晶溫度為240℃，在該溫度下，材料保持較高強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性較好，高于此溫度時(shí)，強(qiáng)度下降，熱穩(wěn)定性變差。因此，要想解決超細(xì)晶材料的熱穩(wěn)定性問(wèn)題，必須對(duì)超細(xì)晶材料發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的具體機(jī)制和驅(qū)動(dòng)力以及第二相粒子對(duì)熱穩(wěn)定性影響機(jī)制等問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

3.疲勞性能

提高材料的疲勞強(qiáng)度可以有效地提高工程材料的使用壽命，有研究表明，細(xì)化晶粒將提高工程材料的疲勞壽命。ECAP制備亞微米材料的疲勞研究從1997年開(kāi)始起步，目前主要包括銅、鋁和黃銅、鎂合金、鈦合金、不銹鋼和低碳鋼等合金。如王慶娟等研究了超細(xì)晶銅的疲勞性能和循環(huán)變形行為，結(jié)果表明，超細(xì)晶T3銅的疲勞極限是粗晶銅的2倍，在高周疲勞域表現(xiàn)比較穩(wěn)定的疲勞行為，甚至疲勞硬化，在低周疲勞域內(nèi)由于超細(xì)晶銅的循環(huán)軟化和應(yīng)變局部化而疲勞壽命明顯低于粗晶銅。文獻(xiàn)揭示了高溫條件下超細(xì)晶銅的動(dòng)態(tài)疲勞變形行為，實(shí)驗(yàn)表明，循環(huán)軟化隨著溫度升高愈加明顯，相應(yīng)的疲勞壽命顯著降低，斷口形貌特征由脆性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性。由于ECAP材料的疲勞性能受諸多因素的影響，包括初始晶粒尺寸、擠壓溫度、擠壓方式、擠壓速度、樣品純度等。現(xiàn)有超細(xì)晶金屬的疲勞性能和微觀機(jī)制研究還有很大局限性，疲勞裂紋起始和疲勞裂紋擴(kuò)展對(duì)疲勞壽命的影響還有待進(jìn)一步研究。

4.耐腐蝕性和磁性能

合金的顯微組織對(duì)合金的腐蝕化學(xué)行為有重要影響，研究結(jié)果認(rèn)為，隨著合金晶粒尺寸的減少，晶界比例將大大增加，合金抗腐蝕性能會(huì)發(fā)生不同程度的變化。A.Vinogradov最先報(bào)道了ECAP制備的超細(xì)晶Cu的陽(yáng)極極化行為，發(fā)現(xiàn)不管在活化區(qū)還是鈍化區(qū)，相比粗晶Cu的陽(yáng)極電流，超細(xì)晶Cu有所提高，但是超細(xì)晶的腐蝕表面光滑，表明粗晶Cu更易發(fā)生局部腐蝕。文獻(xiàn)中用電化學(xué)極化法研究了經(jīng)ECAP后Al-Si-Cu合金的耐腐蝕性能，實(shí)驗(yàn)表明合金的耐點(diǎn)腐蝕性能得到顯著提高，經(jīng)分析表明該性能提高的主要原因是ECAP變形過(guò)程中Si顆粒的均勻分布。從現(xiàn)有研究成果可以看出，利用不同工藝超細(xì)化和納米化，會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、成分及狀態(tài)等造成不同影響，而上述因素中的任何一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致材料腐蝕性能的改變。目前ECAP等大塑性變形方法對(duì)材料腐蝕性能影響的報(bào)道還極少，缺乏進(jìn)一步研究，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)研究迫切需要系統(tǒng)理論的指導(dǎo)，以便確定各因素對(duì)腐蝕行為的影響機(jī)制。基于很少有報(bào)道應(yīng)用ECAP的強(qiáng)烈剪切變形制備磁性材料，杜忠澤研究了ECAP對(duì)2J4合金磁性能的影響，該合金經(jīng)ECAP變形后，奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，得到的試樣比冷軋?jiān)嚇泳哂懈鼉?yōu)異的磁滯性能。

結(jié)束語(yǔ)

材料經(jīng)ECAP后獲得超細(xì)晶組織的優(yōu)異性能使得ECAP成為最具工業(yè)化應(yīng)用前景的劇烈塑性變形的方法。合金晶粒細(xì)化提高力學(xué)特性的同時(shí)，還可降低脆性-韌性轉(zhuǎn)變溫度，從而提高合金的室溫成形性，這對(duì)合金的超塑性成形具有重要意義。但是，目前為止ECAP工藝仍存在一些問(wèn)題：1）對(duì)諸如耐腐蝕性和磁性能的影響研究尚不全面；2）尚未最終弄清晶界滑移的微觀機(jī)理。總之，ECAP目前還處于研究階段，期待進(jìn)一步的研究，使其獲得廣泛應(yīng)用。

本文作者：劉鋒 王慶娟 杜忠澤 王靜怡 單位：西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院