（机械制造及其自动化专业论文）塑性变形制备纳米结构铜和银的数值模拟及试验研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一签名宏谳 7 日期：，酬年f 2 ，月( y 日 分类号 u d c 密级 编号 江荨大擎 硕士学位论文 f a b r i c a t i o no fn a n o - s t r u c t u r e dc ua n da gt h r o u g hp l a s t i c a l d e f o r m a t i o n ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n 申请学位级别巫士专业名称扭越盔i 造厦墓自动焦 论文提交日期2 q q 鱼生! q 且论文答辩日期2 q q 鱼生12 且 学位授予单位和日期江菱太堂2 q q 2 笙! 目 答辩委员会主席 评阅人 2 0 0 6 年1o 月 一 j 摘要 等通道转角挤压( e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 等强烈 塑性变形技术是制取超细晶或纳米结构材料、大幅提升材料性能的重要途 径。本文针对国内外该主题研究中的一些不足，拟定的研究内容及相应结果 如下： 首先，本文首次建立了连续4 道次挤压的四连通物理模型，然后用有限 元软件d e f o i 州一3 d 对其进行仿真模拟，来研究e c a p 加工状态( 挤压路 径和模具结构，如通道夹角和内圆弧半径) 对材料应变均匀性的影响。结果 表明，加工路径对应变均匀性的影响必须和加工道次结合起来考虑，一般4 道次挤压加工后路径b c 获得的应变最均匀，而2 道次加工后路径c 获得的 应变均匀性最高，通道夹角和内圆弧半径的增加也会导致应变均匀性提高。 因此要获得理想的应变分布需要同时考虑上述诸因素。单道次e c a p 的仿真 研究还表明载荷会随着摩擦系数的增加而急剧增加，有摩擦时的应变值比没 有摩擦时的应变值要大0 2 左右，但应变值与摩擦系数的大小关系不大，少 量的摩擦可以提高与挤出方向垂直方向上( y 向) 材料的应变均匀性，在模 具强度和试样塑性都足够的情况下适当的摩擦对变形可起到有利作用。 其次，本文以工业纯铜为研究对象，首次对低温e c a p 进行了实验研究。 比较分析了室温和低温e c a p 后试样的扫描电境( s e m ) 微观组织形貌、 拉伸性能、拉伸断口形貌以及x 射线衍射( m ) 测试结果。各项结果综 合显示，低温e c a p 加工后材料的微观组织要更均匀一些，强度和延伸率比 室温加工后都有所提高，这种现象可能是由于低温时容易生成孪晶，而孪晶 对强度以及延伸率的影响和一般晶粒不同而引起的。 一t 江苏大学硕士学位论文 再次，本文进行了低温压缩变形以及此法和e c a p 结合的实验，以研究 不同变形量对材料特性的影响。结果显示，压缩变形明显提高了材料强度， 但对延伸率不利，材料内部位错对强度的贡献降低。 最后，本文利用低温压缩变形制备出纳米结构纯银，高分辩率透射电境 ( t e m ) 、显微硬度以及x r d 测试结果显示，通过低温强烈塑陛变形加工可 以获得组织致密的纳米结构纯银材料，材料内部存在大量( 微) 孪晶，从硬度 和强度之间的关系可以推算出材料的强度约为3 0 6m p a ，由理论计算得出， 各强化机理中的位错强化值为1 1 0 2m p a ，晶界强化值大于1 4 0m p a ，而孪 晶界的强化效果则不是很明显。结果还表明，层错能越低，形变时越容易发 生孪生，并利于等轴晶的形成。该项研究在国内外尚属首次。 综上研究可以得出：材料内部应变均匀性可以通过挤压路径和道次来进 行控制；对于易加工材料可以降低其加工温度或结合压缩变形来获得更高强 度；面心立方金属层错能越低，越易发生孪生变形，并利于等轴晶的形成。 本文的研究工作未经国内外报道，工作中发现了一些奇异科学现象，为后续 工作奠定了良好的基础，而本文的一些结论只是这些现象的初步总结，具体 还有待进一步探讨。 关键词：强烈塑性变形，纳米材料制备，数值模拟，应变均匀性，纯铜， 纯银 t h ei n f l u e n c eo fp r e s sr o u t ei sa s s o c i a t e dw i t ht h en u m b e ro fp r e s s i n gp a s s e s i nt e r mo f4 p a s s e sp r e s s i n g ，r o u t eb ch a sam o s tu n i f o r md i s t r i b u t i o no fs t r a i n ，w h i l ei nt e r mo f 2p a s s e s p r e s s i n g ，r o u t ecc a ng e t ab e t t e rs t r a i nu n i f o r m i t y t h ei n c r e a s eo fc h a n n e la n g l ea n di n n e r - a r c r a d i u s ，w o u l da l s oi m p r o v et h es t r a i nu n i f o r m i t yc o n s i d e r a b l y t h e r e f o r e ，t og e tt h eb e s ts t r a i n u n i f o r m i t y , a l lt h ea b o v em e n t i o n e df a c t o r ss h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n i na d d i t i o n ，t h e i n f l u e n c eo ff r i c t i o no nl o a da n ds t r a i no fo n ep a s se c a pw a sa l s os t u d i e d i tw a so b s e r v e d t h a tt h el o a dw a si n c e r a s e e dr a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；t h ev a l u eo f s t r a i n w a sl a r g e rw h e nf r i c t i o nw a st a k e ni n ；a n das m a l la m o u n to ff r i c t i o nc o u l da l s oi m p r o v es t r a i n u n i f o r m i t yo fyd i r e c t i o n ，t h e r e f o r eo p t i m u m f r i c t i o nc o u l db eh e l p f u l s e c o n d l y , t h ee c a pp r o c e s s i n go fc uw a sc o n d u c t e da tl o wt e m p e r a t u r e ( l t ) a n d r o o m t e m p e r a t u r e ( r t ) i tw a so b s e r v e dt h a tt h es t r u c t u r eo f l ts a m p l ew a sm o r eo r d e rt h a nt h a t o fr ts a m p l e ，t h es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw a sa l s ob e t t e nt h i sp h e n o m e n o nm a y b eb e e x p l a i n e da sm o r ed e f o r m a t i o nt w i ni nl ts a m p l e t h i r d l y , t h ee x p e r i m e n to fc o m p r e s s i o na tl o wt e m p e r a t u r ea n de c a p + c o m p r e s s i o n w e r ec o n d u c t e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nc o u l di m p r o v et h es t r e n g t ho f m a t e r i a l sc o n s i d e r a b l y , b u tt h ee l o n g a t i o np e r c e n t a g ew a sn o ta sg o o da sw h i c hp r o c e s s e do n l y b ye c a pd e f o r m a t i o n ，a n dt h ec o n t r i b u t i o no f d i s l o c a t i o no ns t r e n g t hb e c a m ev e r ys m a l l f i n a l l y , b u l kn a n o s t r u c t u r e da gw a sp r e p a r e db ys e r v e rp l a s t i cd e f o r m a t i o n ( m u l t i s t e p c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n ) a tl t r e s u l t so ft e m m i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o h a r d n e s sa n dx r d i n d i c a t e dt h a tn a n o s t r u c t u r e da gw i t hc o m p a c tm i c r o s t r u c t u r ec o u l db ef a b r i c a t e db ys e r v e r 江苏大学硕士学位论文 p l a s t i cd e f o r m a t i o n t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ns t r e n g t h - m i c r o s t r u c t u r er e l a t i o n s h i pi n d i c a t e d t h a td i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n gw a sa b o u t110 2m p a ，g r a i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n gw a s14 0 m p a , a n dt h et w i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n gw a sv e r yl o w i nc o n c l u s i o n ，t h es t r a i nu n i f o r m i t yc o u l db ec o n t r o l l e db yp r e s sr o u t ea n dp a s s ；f o rt h e m a t e r i a l sw h i c hc o u l db ed e f o r m e de a s i l y , t h eh i g h e rs t r e n g t hc o u l db eg o tb yd e c r e a s i n gt h e t e m p e r a t u r eo fe c a p o rc o m b i n ee c a pw i t hc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o n ；d e n s en a n o s t r u c t u r e d a gc a r lb ep r o d u c e db ys e r v ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，a n dt h el o w e rf a u l te n e r g y , c o u l dh e l pt o f o r md e f o r m a t i o nt w i na n de q u i a x i e dg r a i n s o m es c i e n t i f i ca n do d dp h e n o m e n o n sw e r e d i s c o v e r e di nt h ew o r ko ft h i sp a p e r , w h i c he s t a b l i s h e daw e l lf o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n t r e s e a r c h k e yw o r d ：s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，n a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l sp r e p a r a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s t r a i nu n i f o r m i t y , p u r ec o p p e r , p u r es i l v e r i v 稿 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 本文的研究背景1 1 2 块体纳米材料的制备技术l 1 2 1 惰性气体凝聚原位加压法1 1 2 2 机械合金化方法2 1 2 3电沉积法2 1 2 4 非晶晶化法2 1 2 5 强烈塑性变形法2 1 3 e c a p 技术3 1 3 1引言3 1 3 2e c a p 原理4 1 3 3e c a p 工艺参数5 1 3 3 1模具通道夹角5 1 3 3 2内圆弧半径r 5 1 3 3 3 挤压次数一6 1 3 3 4 挤压路线7 1 3 3 5挤压速度8 1 3 3 6 挤压温度8 1 3 4 经e c a p 挤压后材料微观结构特征9 1 3 4 1 显微组织演化一9 1 3 4 2 微观结构稳定性1 0 1 3 5e c a p 加工后材料的机械性能变化l o 1 3 5 1硬度1 0 1 3 5 2 拉伸应变应力曲线1 1 1 4 超细晶铜的拉伸性能1 1 1 4 1 强度和( 亚) 晶粒尺寸之间的关系一1 2 1 4 2 均匀延伸率和强度之间的关系1 2 1 5 有限元方法数值模拟技术1 4 1 6本文的研究目的和内容1 4 第二章等通道转角挤压的应变均匀性仿真与研究。1 6 2 1 引言1 6 2 2建模与仿真1 6 2 3仿真结果及分析1 8 2 4模拟载荷变化2 1 2 5实验结果观测2 2 2 6 结论2 2 第三章摩擦对e c a p 的影响2 3 3 1 引言2 3 3 2建模与仿真2 3 3 3 仿真结果及分析2 4 3 3 1摩擦对载荷的影响2 4 3 3 2 摩擦对应变及其均匀性的影响2 6 v 一 江苏大学硕士学位论文 3 4 第四章 4 1 4 2 4 2 1 4 2 2 4 3 预处理 4 3 1 4 3 2 4 4 试验 4 4 1 4 4 2 4 5 4 6 显微组织分析一 高分辩率透射电镜组织观测 第五章低温e c a p 制备高强度纳米结构铜。3 2 5 1引言j 3 2 5 2 实验3 2 5 3结果观测与分析3 3 5 3 1 微观组织观测3 3 5 3 2 显微硬度3 7 5 3 3拉伸性能3 7 5 3 4 断口特征_ 4 0 5 3 5x r d 分析- 4 2 5 4 结 仑4 5 第六章低温e c a p 结合压缩变形制备高强度纳米结构铜4 7 6 1引言4 7 6 2 实验4 7 6 3结果观测与分析4 8 6 3 1 微观组织观测4 8 6 3 2 显微硬度4 9 6 3 3 拉伸性能4 9 6 3 4 断口特征5 1 6 3 5 x r d 分析5 3 6 4 结论5 5 第七章块体纳米银的制备与强化机理5 6 7 1 引言5 6 7 2 实验5 6 7 3 结果观测与分析5 6 7 3 1微观组织观测5 6 7 3 2 显微硬度5 7 7 3 3 x r d 分析5 8 7 4 强化机理5 8 v i 套 v i i 一 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一旱珀 了匕 1 1 本文的研究背景 铜具有许多优良的物理化学特性，例如其热导率和电导率都很高，化学稳定性强， 抗拉强度大，易熔接，具抗蚀性、可塑性、延展性。铜是与人类关系非常密切的有色金 属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色 金属材料的消费中仅次于铝。提高铜及其合金的强度对国民经济产生的影响是非常巨大、 难以估计的。 a g 具有许多非常优异的性能，如高导电性和导热性等，但其强度较低，其工程应用 受到一定限制。a g 是层错能最低的面心立方金属，在塑性变形时极易发生层错和孪生， 因此a g 经塑性变形后其内部通常含有大量孪晶界。s f s h e n 1 1 ，w s z h a o 等人 2 1 的研究 表明，3 孪晶界可类同于晶界，能有效地提高材料强度。 如何制备超高强度纯铜和纯银材料，是当今机械工程和材料科学中的一个研究热点。 用强烈塑性变形法( s e r v ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 制备块体纳米结构和超细结 构金属，以提高材料性能也已成为纳米材料领域内的一个研究热点。 1 2 块体纳米材料的制备技术 到目前为止制备块体纳米材料的技术主要包括：惰性气体凝聚原位加压法、机械合 金化法、电沉积法、非晶晶化法、强烈塑性变形法、超低温碾磨法、等离子合成法、化 学气相沉积法、物理气相沉积法、脉冲电流沉积法、磁控溅射法以及电火花腐蚀法等【3 】。 下面评述几种最典型最常用的方法。 1 2 1 惰性气体凝聚原位加压法 该法是最早制备块体纳米材料的方法，由g m t e r 发明。其原理是在高真空反应室中使 金属受热升华并在充有液氮的冷阱壁上凝结成纳米尺寸的微粒，用刮板将这些纳米粒子 刮落收集并导入模具中，而后加压系统以1 一5 g p a 的压力将纳米粉末原位加压( 烧结) 成 形。该法制备的块体纳米材料其晶粒具有三维纳米尺寸。用该法还可以先制备各种纯金 属的纳米颗粒然后通过混合、加压来制备各种纳米晶合金。同时该法还可以通过在反应 室中通入氧气、氮气或放置碳原子释放源来制备纳米晶氧化物、氮化物和碳化物等。但 是由于该法制得的纳米颗粒其纯度很高，因此极易氧化而受到污染，这就要求在整个制 1 江苏大学硕士学位论文 备过程中必须保持很高的真空度，从而使加工工艺变得复杂，成本提高。由于加压时粉 末的受力不均或其他因素的影响很难得到完全致密的块体纳米材料，目前用此法制备的 块体纳米材料的最高致密度也只能达至1 j 9 8 5 【3 】，实验已经证明致密性对材料的各方面性 能都有极大的影响。 1 2 2 机械合金化方法 机械合金化方法是使粉末颗粒在一个具有极高能量的球下进行碾磨，使其不断重复 冷焊、断裂再冷焊的变形过程，最终形成所需要的材料。本方法中的要加工的粉末都在 受保护的环境中进行碾磨变形，以防止其氧化而被污染。利用本方法，只要经过足够长 时间的碾磨几乎任何材料都可以获得纳米级尺寸的晶粒，而且各种材料在碾磨时达到最 小值的时间大致与材料的熔点成反比。本方法中的低温球磨技术已经在生产中得到应用。 1 2 3 电沉积法 电沉积技术可采用传统( 或稍加改进的) 电镀池和电镀条件，从非晶金属制备具备 纳米尺度( 5 - 4 0 n m ) 或更大尺度的微米级晶粒；所制得的试样致密度高，且其中的化学 成分可在某一范围内变化；电沉积产物可以是具有等轴或随机取向( 织构) 的微观结构。 另外，该技术是一个室温技术，所以费用和成本相对较低，容易进行大规模生产。但目 前该方法只能够获得厚度较薄的块体纳米材料，对制备厚度较大的块体纳米材料还存在 一定困难。 1 2 4 非晶晶化法 非晶处于热动力学中的亚稳定状态，当其处于适当的环境和条件下时就会向更稳定 的状态转变。非晶与晶体之间吉布斯自由能的差异产生了非晶的晶化动力。通常情况下 非晶在受热处理、辐射甚至机械摩擦时就会结晶而成为多晶材料。非晶晶化法的关键是 由热处理来控制晶化动力，以便使非晶完全转化为具有超细晶的多晶材料。非晶晶化法 已经成功用于制取各种合金系的纳米材料，如铁基、镍基和钴基等。本法制备的块体纳 米材料是完全致密的，所以性能较高且稳定，并且利用本方法还可以制备纳米金属间化 合物、过饱和金属固溶体以及复合材料等。 1 2 5 强烈塑性变形法 强烈塑性变形法( s e r v ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 主要是通过大变形使材料内 部获得足够大的应变来细化晶粒。虽然目前有很多方法可以向金属材料施加塑性应变以 减小其晶粒尺寸，但是最主要的两种方法还是等通道转角挤压法( e q u a lc h a n n e la n g u l a r p r e s s i n g ，简称e c a p ) 和高压扭转变形法( h i g hp r e s s u r et o r s i o n ，简称h p t ) 。由于e c a p 2 方法在加工过程中材料的外形基本不发生改变，因而可以重复挤压变形，以增加应变量， 这在常规塑性变形方法中是难以实现的，所以得到越来越多的应用。 比较上述制各块体纳米材料的方法，惰性气体凝聚原位加压法和机械合金化方法都 是自下而上制备纳米材料的方法，都存在杂质多、致密度低的缺点，所以机械强度不高， 延伸率很小，很难得到工程应用。非晶晶化法制备块体纳米材料具有晶粒界面洁净、组 织致密、产能大、成本低等优点，但是它也存在所制得的材料尺寸小以及很难完全晶化 的缺点，并且该法只能应用于非晶形核能力强的材料体系。由电沉积法制得的块体纳米 材料的致密性可以保证，但是其宏观尺寸很难做大。不过以卢柯院士为首的中科院金属 研究所的研究人员通过脉冲电沉积技术获得了具有高密度纳米孪晶的铜样品，其研究价 值很高并且有一定的应用前景。对于强烈塑性变形法，其成本比较低，组织致密并且无 污染。其中特别是e c a p 方法，由于剪切变形量大，在加工过程中材料的形状不发生改 变，因而可以重复挤压变形，以增加应变量，所以得到越来越多的研究。但是用e c a p 。 方法很难制取晶粒尺寸低于2 0 0n l n 的材料，h p t 方法也很难制取晶粒尺寸低于5 0n m 的材 料。 1 3e c a p 技术 1 3 1 引言 7 0 年代初期，s e g a l 【“1 及其合作者最早提出并研究了获得纯剪切变形的等通道转角 挤压技术，即e c a p ( e q u a l c h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n g ) 技术。自9 0 年代以来该技术作为 制取超细晶( 亚微米晶和纳米级晶粒组织) 材料的新方法而得到进一步的研究和应用，近 几年来国内也有部分院校对此进行研究。 e c a p 研究的材料有c u 7 、a 1 8 1 、t i 9 , 1 0 1 等纯金属、普通低碳钢 1 1 1 3 】、a 1 m g 1 4 , 1 5 1 、 t i 一6 a 1 4 v 16 1 、z n - a 1 合金【1 7 1 、a z 91 18 1 、a z 31 19 1 、p b s n 2 0 1 、金属间化合物t i a l 2 1 1 、金 属基复合材料 2 2 1 等等，目前研究范围仍在扩大。 e c a p 具有很多独特的优点，如材料组织致密性高、无污染、并且坯料的形状和尺 寸几乎不发生改变7 1 等等。日本教授m n e m o t o 2 3 1 曾比较了e c a p 工艺与常规轧制工艺 在达到相同真应变4 时所需要的变形量，将厚度为1 0 0i l l l t i 的材料轧制到1m m 时在材 料内部产生的真应变为4 ，相当于压缩率 - 一9 9 ，而e c a p 加工到同样应变量时仅需 要几道次( 模具通道夹角为9 0 0 时，仅为4 道次) ，而试样的形状和横截面积基本不发 江苏大学硕士学位论文 生改变。在等通道角形挤压时，应变总量达到4 - 8 之间即可获得的细小等轴晶粒结构， 而在往复挤墩实验中，需要应变总量达到6 0 才能得到均匀分布的、细小的等轴晶粒。由 此可见，对同一试样经e c a p 重复挤压多次后，会在试样内部累积产生很大的剪切塑性 变形。 江苏大学硕七学位论文 已经不能将他们继续视为是亚晶粒，应该将这些等轴晶粒视为独立的晶粒) ，随着变形量 的继续增大，晶粒间的位向差继续增大，大角度晶界形成，晶粒被细化到亚微米级甚至 纳米级。 1 3 3e c a p 工艺参数 1 3 3 1 模具通道夹角 1 由图1 1 及图1 - 2 可以看出，在挤压过程中e c a p 模具两通道的夹角西对整个挤压 过程是很重要的。如图1 - 2 所示，当模具两通道夹角取不同值时，剪切面相对于坯料 轴线的夹角会发生改变，从而影响了剪切变形的程度。vm s e g a l 对e c a p 变形模型做 了一定的研究，在不考虑摩擦和、壬，= 0 时，依据纯剪切力学原理首先导出了总等效应变知 的计算公式( 1 1 ) 【“】 ， - 旷孕c 。t ( 1 1 ) 旷万l 了j ( l 1 ) 后来，1 w a h a s h i 等学者将总应变量的计算拓展到外角甲不为零的情形，对剪应变y ，等效 真应变占的计算提出了以下的公式 2 5 】： y = 2 c 。t ( 詈+ 詈) + y c o s e c ( - 詈+ 詈)c 2 ， g = 击 2 c o t 阻詈) m 眦c ( 詈+ 詈) 3 ， 当挤压次数达到n 时，其总的等效真应变知为： 旷胁若 2 c o t ( 詈+ 詈) m 咄f ( 詈+ 詈) 4 ， - - 、 目前，公式( 1 4 ) 的应用较常见，采用有机玻璃模具和多层蜡泥塑料【2 6 】模型的试验( 排 除蜡泥塑料与模壁的摩擦影响) 和坐标网格法试验【2 7 】( 除样品两端部外) 及二维有限元模 拟 2 8 3 1 1 分析都证实了该公式的合理性。 关于西值对e c a p 受形的影响将在第五章给出详细的说明。 。 1 3 3 2 内圆弧半径r 。 国内外对模具内圆弧半径r 的研究报道还比较少。用有限元技术进行仿真分析，得 出内圆弧半径r 对挤压过程的应力、应变分布有很大的影响，这会在后面的仿真中给予 江苏大学硕七学位论文 详细说明，详见第四章。 1 3 3 3 挤压次数 e c a p 的最大特点之一就是可以重复挤压，随着挤压次数的增加，材料内部累积的 真应变不断增加，内部变形加剧。很多文献都对此进行了报道，如图1 3 所示，从w u y 3 2 】等人的研究可以看出，随着挤压次数的增加，试样的变形加剧，片状橡皮泥被拉长， 倾斜角度( 即橡皮泥长度方向与水平方向之间的夹角) 减小。表1 1 【3 3 】列出了橡皮泥试 样经过不同道次e c a p 后橡皮泥试样各个参数的变化。 幽一一 n = 1n = 2 n = 3 图l 一3经9 0 。圆角模具e c a p 加工后l 3 道次的橡皮泥试样的照片 f i g 1 - 3p h o t o g r a p h ss h o w i n gp l a s t i c i n eb i l l e t sa f t e re x t r u s i o nt h r o u g ht h e 0 = 9 0 。r o u n d c o r n e r e de c a pd i e ni t h en u m b e ro ft h ee x t r u s i o n p e r f o r m e d 表1 10 = 9 0 0 时多道次e c a p 对应的各参数 挤压总的面积减小结构单元的 次数应变 当量( ) 倾斜角度 1 1 1 56 9 2 2 。3 9 22 3 19 01 3 。2 0 7 33 4 69 7 9 。3 0 44 6 29 97 。 55 7 79 9 75 。4 0 66 9 39 9 94 。5 0 78 0 99 9 9 74 0 8 9 2 49 9 9 9 3 。3 0 对于具体的材料而言，随着挤压次数的增加，材料内部晶粒被细化，当挤压次 达到一定值后，晶粒被细化很小或不能再被细化，此时挤压效果不明显甚至没有。 1 3 3 4 挤压路线 vm s e g a l 4 , 6 1 认为，同一试样其装料方式不同，经过多道次挤压后材料的组织 也不同。根据试样在连续两次挤压之间旋转方向和角度的不同，一般可以把e c a p 以下几种工艺路线，如图1 - 4 所示。 a ：每次挤压后不旋转，直接进入下一道次； 一6 一 数n 结构 分为 江苏大学硕士学位论文 b a ：每次挤压后旋转9 0 0 ，旋转方向交替变化； b c ：每次挤压后旋转9 0 0 ，但旋转方向不变； c ：每次挤压后试样旋转1 8 0 0 ，进入下一道次。 r 0 u t ea r o t a t eb c r o u t eb a r o u t ec 图1 4e c a p 中的四种挤压路线 f i g 1 - 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f e a c ho ff o u rp r o c e s s i n g r o u t e sf o rr e p e t i t i v ee c a p 工艺路线的选择对材料微观结构的影响很大。图1 5 定义了样品的x 、y 、z 方向和 x 、y 、z 平面。采用不同的工艺路线加工后的变形情况如图1 - 6 3 4 j 所示。可以看出，经 过路线a 多道次挤压后，材料在x 、y 方向上变形较大；路线b a 与a 较为接近；经过 路线c 偶数次挤压后，晶粒恢复到挤压前的形状；对于路线a 、c 由于z 轴方向上没有 获得变形，因而，不能在以后的挤压中使晶粒的破碎达到很均匀的程度，而路线b c 在三 道次挤压后晶粒在三个方向上都获得了变形，使晶粒变形均匀，并且路线b c 使所有的滑 移系开动，晶粒破碎均匀。在挤压4 n 道次后，晶粒恢复为挤压前的形状，形成等轴晶 更迅速。vm s e g a l 4 , 6 】研究了工艺路线a 、c 对材料微观结构的影响，指出c 工艺路线 较工艺路线a 能更快地获得大角度晶界，这是由于在挤压过程中试样受到剪切，晶粒发 生滑移或重组，在c 路线中晶粒和亚晶还会出现大角度的旋转从而造成位错密度增加， 加快了大角度晶界的形成。1 w a h a s h i 等人【8 , 1 4 , 1 5 , 3 5 , 3 6 1 的研究结果表明，在形成大角度晶界 7 江苏大学硕士学位论文 方面，路线b c 最快，其次是路线c ，再次是路线a 、b a 。总的来说，路线b c 是目前各 国研究人员比较看好的工艺路线。 挤压道次 i 方式面 o1 234 56 78 lp i 埘9 - x 口口口口口口一一一 一 撼x 巩制 ； ay口z 7z 二7 矿，r 一一一 z 口口口口口口口口口 x口口、，、， 、， 一 y 口口z 7 少；一，一 z 口口么7 弋、一一 芑 p r一同 x 口 r l 0口口口口 t ：玲 y 口z 7 么7 口口z 7z 7 口口 臣型 z 口口z 7z 7 口口么7z 7 口 h 一_ z一：o乱o】iooc口1仃co-i 3 i 暑 一1一ioo寸kooc口l曙co_io一= 一何l芑一价小j_矗cij矗c o o 0 0 0 0 o o 0 o o 阳加如竹 一母也=一田oi_西cijooc一西c山 江苏大学硕士学位论文 1 4 1 强度和( 亚) 晶粒及( 微) 孪晶尺寸之间的关系 众所周知，一般金属材料的强度会随着晶粒尺寸的下降而增加，即所谓的细晶强化。 由e c a p 方法制备的块体纳米材料的晶粒尺寸一般在2 0 0 5 0 0 n m 范围内，其强度比原始态 提高很多，例如e c a p 4 道次( b c 方式) 加工后纯铜的强度就可以达到原始态强度的6 倍 左右【4 6 1 。而由脉冲电沉积技术制备的高密度纳米尺寸孪晶铜的屈服强度竟然达到了 9 0 0 m p a ，这是常规纯铜的1 3 倍以上【1 1 。 ， 再 山 = ， 2 ! 璺 q q q 1 0q 1 5q 扣 0 2 5 q r 口严( m 妁 i 屯s l a n z 4 d i e u 蝈 、1 m ”v 、自n 日e t d 4 7 1 嘲g 即e t a 嘲 g m m m v , a af 4 剜 y f3 e n d d 1 】 i v 卢4 0 目_ r t w e t a 嘲 x h 日u d a f 5 1 1 w s2 1 - a o e t d 回 y mv 、自r 日e t d f 5 刁 f t z 剧1 日e t d f 5 3 i fi - a l a t a r e e t af s 4 1 y a r r l d 口日旧e t a 鞫 e a r d y m v 妇目 5 囝 r 酬d a t a 图l 一1 0 纯铜屈服强度和晶粒尺寸( 孪晶宽尺寸) 之间的关系 f i g 1 - 10r e l a t i o n s h i pb e t w e e ny i e l ds t r e n g t ha n ds i z eo fg r a i no rt w i nw i d t h 图1 1 0 表示了( 亚) 晶粒尺寸( 孪晶宽度) 与屈服强度之间的关系，由图中我们可 以看出，强度仃和( 亚) 晶粒尺寸平方根的倒数d _ 1 坨大致成线性关系。这也正符合了 h a l l p e t c h 关系，即 盯= q + 如一p d 叫2 ( 1 5 ) 由此可以说明，当( 亚) 晶粒尺寸为亚微米级或纳米级时，其强度和( 亚) 晶粒尺 寸之间的关系仍可以用h a l l p e t c h 关系来表述。 1 4 2 均匀延伸率和强度之间的关系 由上述方法制备的纳米或超细晶材料，虽然其强度和硬度与其相应粗晶材料的相比 都获得了大幅度的提升，但是其室温拉伸时的延伸率却比原始态的大大降低。例如，超 细晶铜的室温拉伸断裂延伸率一般只有1 0 一1 5 ，而且多表现为颈缩后的延伸率，其中 均匀延伸率只有2 一3 ，严重限制了这些材料的工业应用。 1 2 江苏大学硕士学位论文 由图1 1 1 可以看出，随着强度的提高，材料的均匀延伸率大致是呈下降的趋势，但 是由于本图中列出的数据点中有的是高密度纳米孪晶铜的测试数据，所以其强度和延伸 率的关系与一般的超细晶铜有所差别，在图上就表现为曲线在最后阶段随着强度的增加 均匀延伸率反而有所上升。另外图中有一些点偏离拟合曲线比较远，这可能是由样品制 备方法的不同以及测试条件的差异而引起，但仍可以明显看出均匀延伸率随屈服强的增 加而减小的总趋势。但在实际应用中一般都要求材料既要有较高的强度又要有良好的塑 性，特别是材料屈服前的塑性，因此如何在保持高强度的前提下提高均匀延伸塑性是未 来一段时间内材料研究领域中的一个关键问题。 0 1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 0 9 0 01 0 0 0 y i e l ds t r e n g t h ( m p a ) 图1 1 1 纯铜屈服强度和均匀延伸率之间的关系 f i g 1 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e ny i e l ds t r e n g t ha n du n i f o r me l o n g a t i o n 由图1 1 0 和图1 1 1 中的数据点【1 ，2 】还可看出，具有高密度纳米孪晶的铜样品既表现出 了很高的强度，而且均匀延伸率也大大提高，因此其综合性能要比一般的超细晶铜高【5