（材料学专业论文）叠轧法制备超细晶铜材工艺基础研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 适度的晶粒细化是提高材料服役性能和加工成形性能的有效手段。反复叠轧 技术是细化常规晶粒尺寸至亚微米级甚至纳米级晶粒尺寸最具工业化应用前景 的技术之一，近年来在国际上形成研究热点。本文对叠轧技术进行了较系统的研 究，包括：同步叠轧和异步叠轧的对比，不同退火温度和真应变对晶粒细化效果 的影响，以及不同退火温度、退火制度、真应变对材料力学佳能的影响等。 通过3 个阶段的实验，针对试样进行了有关组织和性能的检测。首先进行了 f 司步实验，通过扫描电镜、e b s d 分析和显微硬度的检测，发现退火温度低，真 应变大时晶粒细化效果好。其次，在傲了“降低低道次退火温度，提高高道次退 火温度缩短退火时间并增加中途退火问隔”的工艺改进后，做了异步叠轧实验， 根据拉伸、硬度检测和会相观察的结果，表明经过该工艺处理的试样抗拉强度o - 、延伸率、显微硬度较普通纯铜提高显著，并且界面复合较同步有很大改善， 但试样屈服强度o 。和屈强比( 0 。0 。) 较低。最后，针对屈服强度提高不大 的问题，采用允许轧制力大的轧机做了不退火连续同步叠轧实验。该实验结果令 人较为满意，并且观察到第3 道次试样体现出累积临界变形量的特征：显微硬度 ( h v ) 、屈服强度达到、抗拉强度o 。和屈强比达到最大值，并且保持较高的延伸 率，而继续轧制屈服强度和延伸率都存在不同程度的减低。 实验结果表明，叠轧工艺能够有效细化晶粒、提高材料力学性能，在达到真 应变累积变形量后继续进行加工，材料强度不能获得提高反而有所下降：中间退 火对材料屈服强度的影响很大。根据实验结果发现，材料的“细晶强化”机制仅 在一定范围内有效，当晶粒细化到定程度后，继续加工也不能使材料强度提高， 关于此我们以“晶粒畸变能饱和”的观点作了定性讨论。 关键词t 超细晶材料，异步叠轧，叠轧，深度塑性加工 昆明理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d e r a t er e f i n e m e n to fg r a i ni sa r le f f e c t i v em e t h o dt oe n h a n c es e r v i c e a n ds h a p i n gp r o p e r t i e s a r b ( a c c u m u l a t i v er o l 卜b o n d i n g ) i so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gi n d u s t r i a lt e c h n i q u e st h a tc a nr e f i n ec o n v e n t i o n a lg r a i ns i z e t os u b m i c r o m e t e ro rn a n o m e t e rl e v e l r e c e n t l y i th a sb e c o m et h eh o t s p o t o fr e s e a r c h s y s t e m i cr e s e a r c hw a si n v e s t i g a t e da b o u ta r bo fp u r ec ui n t h i sp a p e r ，i n c l u d i n g t h ec o m p a r i s o no f a r ba n da s y n c h r o n o u s a r br o l l j n g ， t h ee f f e c t so fa l lk i n d so ft e c h n i c a lf a c t o r so nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e so fm a t i a l s u c ha st r u es t r a i n ，a n n e a lt e m p e r a t u r ea n dt i m e s y s t e m i cs t u d yh a sb e e nd o r l eb yt h r e ed i f f e r e n te x p e r i m e n t s m i c r o s - t r u c t u r e sw a so b s e r v e da n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sw a st e s ti ne a c he x p e r 一i m e n t f i r s t l yt h ef a c t w h i c ht h el o w e ra n n e a lt e m p e r a t u r ei sa n dt h e m o r et r u es t r a i ni s ，t h et h i n n e rc r y s t a l l i n eg r a i ni s w a sf o u n d e df r o m t h er e s u l to fa r be x p e r i m e n tb ys e mo b s e r v a t i o n ，e b s da n a l y s e sa n dm i c r o h a r d n e s st e s t s e c o n d l y ，b a s e do nl a s te x p e r i m e n ta s y n c h r o n o u s a r be x p e r 一 一i m e n th a db e e nd o n ew i t hs o m ep a r a m e t e r so ft e c h n i c sc h a n g e da sf o l l o w i n g l o w e r i n ga n n e a l st e m p e r a t u r ei nl o w e rp a s s e sa n dr i s i n ga n n e a lt e m p e r a 一 一t u r ew i t hs h o r t e n i n ga n n e a lt i m ei nh i g h e rp a s s e s t h er e s u l t so fs a m p l e s t r e a t e db ya s y n c h r o n o u s a r bt e c h n i c sr e v e a le dt h a tob 、8 a n dm i c r o h a r d n e s sh a db e e ne n h a n c e dn o t a b l y ，b u ta tt h es a m et i m e oo 2a n doo2 oba r ea sl o wa sn o r m a lp u r ec uu n t r e a t e d f i n a l l yn o n a n n e a lc o n t i n u a l a r be x p e r i m e n th a db e e nd o n et ov e r if yw h e t h e r ”l o w e r00 2 、0o 2 0b ”w a s a f f e c t e db ya n n e a lo rn o t r e s u l t so ft h i se x p e r i m e n ta r ee x i t i n gt h a t a l lp h y s i c a lp r o p e r t i e sa r em u c hh i g h e rt h a nt h o s et r e a t e db yc o n v e n t i o n a l t e c h n i c s a n dc r i t i c a la c c u m u l a t ed e f o r m a t i o na m o u n tw a sc o n s i d e r e dt o a p p e a ra tt h i r dp a s s ，w h e r ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fs a m p l e sr e a c h e dm a x i m u m a n dc o u dn o tin c r e a s ee v e nd e f e r m a tj o nc o n t i n u i n g e x p e r i m e n tc o n c l u s i o nr e v e a l e dt h a ta r ba n da s y n c h r o n o u s - a r bc a l lt h i n i i 昆孵理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r y s t a l l i n eg r a i na n di m p r o v ep r o p e r t i e so fm a t e r a l ne f f e c t ：p r o c e s s i n ga f t e rc r i t i c a la c c u m u l a t ed e f o r m a t i o na m o u n tc a nn o ti m p r o v ep r o p 。 一e r t i e so fm a t e r i a lb u tr e d u c et h e m ：a n n e a li nm i d d l ep a s s e sc a ns t r o n g l y a f f e c tom2 、0m2 0bo fs a m p l e s i tc a nb ei n f e r r e df r o mr e s u l to fe x p e r 一 i m e n tt h a tt h em e c h a n i s mo f ”s t r e n g t h e nb yc r y s t a l l i n eg r a i nt h i n n i n g b eo n l yv a l i dw i t h i nt h es p e c i f i c1 i m i t s ，a f t e rt h ec r y s t a l l i n eg r a i ni s t h i n n i n gt oc e r t a i ne x t e n t ，i tb eu n a b l et om a k et h ei n t e n s i t yo fm a t e r i a l i m p r o v e de v e nc o n t i n u ep r o c e s s i n g w ed i s c u s s e di tw i t ht h ev i e wt h a t ”c r y s t a l l i n eg r a i nd i s t o r t i o nc a nb es a t u r a t e d k e yw o r d s ：u l t r a - f i n eg r a i nm a t e r i a l ，a r b ( a c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g ) a s y n c h r o n o u s - a r b ，s p d ( s e r v e rp l a s t i cd e f o r m a t i o n ) i i t 感谢 本课题由云南省自然科学基金重点项目提供资金支持( 课题编号： 2 0 0 3 e 0 0 0 3 e ) ，在此向云南省自然科学基金重点项目委员会表示由衷 感谢，向为云南省自然科学基金重点项目辛勤工作的老师致以深切的 敬意i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：a 友连 日 期：2 。辱年t o 月，o 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导诉签名：塑论文作者签名：旦耍堪 日 期：三：! 生! 竺目 ：!旦 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超细晶粒的结构及特征 纳米材料在结构上由两种组元组成“1 ：一是具有纳米尺度的微粒为颗粒组元 ( 或基元) ；二是这些颗粒之间的界面元。其重要的微观结构特征包括：晶粒 尺寸分布和形态。晶粒边界的性质和形态以及相界、边界。晶粒内部缺陷的完整 性和性质通过晶粒和面界的组成分布0 由制备过程造成的残留缺陷种类的辨 认。由于纳米材料在结构上的这些组成及特征，使纳米材料具有一些特殊性质。 纳米微粒具有以下4 个基本效应。1 ： ( 1 ) ，、尺寸效应 当纳米微粒尺寸小于和相当于光波的波长，传导电子的德布罗意波长及超导 态的相干长度或穿透深度等物理尺寸相当时，晶体周期性的边界条件将被破坏， 声、光、电、磁、热力学等特征均会呈现新的小尺寸效应。 ( 2 ) 表面与界面效应 纳米微粒由于尺寸小，比表面积大，表面能高，位于表面的原子占相当大的 比例。这些表面原予处于严重的缺位状态，因此，活性极高，极不稳定，很容易 与其他原子结合产生一些新的效应。 ( 3 ) 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到最低时，费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能 级。纳米微粒的声、光、电、磁、热以及超导与宏观特性有着显著的不同，称为 量子尺寸效应。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应 隧道效应是指微观粒子据有贯窜势垒的能力，人们发现一些宏观量，如磁化 强度、量子向器件中的磁通量等具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。 由于以上4 个效应的存在，纳米材料呈现如下的宏观物理性能。1 ： 高强度 和高韧性 高热膨胀系数，高比热和低熔点 异常的导电率和磁化率 极强的吸波性 商扩散性。 在这些众多的特性中我们所关注的是微观上晶粒的状态和分布、内部缺陷的 昆蛾理工大学硕士学位论文 第一章绪论 表现形式和状态，宏观上晶粒度与材料性能之间的联系。 1 。2 纳米( 超细晶) 材料的特性及应用前景“ 众所周知，晶粒大小是影响传统多晶金属材料各种性能的重要因素。随着晶 粒的减小，材料将表现出许多特性。当晶粒小到纳米级时，它将具有非常独特的 力学、电学、磁学、光学等性能也因此雨极具应用价值。 1 2 1 力学性能“6 传统的多晶金属的强度( 或硬度) o 随晶粒尺寸d 符合h a l l p e t c h 关系， 即0 = o 。+ k d 7 ”2 ，按此理论推断纳米材料的强度远远高于普通多晶材料。但是纳 米晶粒的尺寸已经接近点阵中位错间的平衡距离，也就是说晶粒间只可容纳少量 的位错。实验观察己证实”1 ，纳米材料中的位错极少，材料的超细及多晶界面特 征使它具有高的强度和硬度，表现为正常的h a l l - p e r c h 关系，也有反常的 h a t1 - p e r c h 关系，也有的偏离h a l l p e r c h 关系，即强度和硬度与晶粒尺寸不呈 线性关系。这些现象引起了众多材料学科研工作者的关注，并在此方面开展了研 究。纳米材料不仅具有商的强度和硬度，而且还具有好的塑性和韧性。且由于界 面岗的延展性而表现出超塑性现象。 1 2 2 热学性能“”3 纳米材料晶体界面原子分布比较混乱，界面体积百分数大，因而其熵对比热 的贡献大于常规材料。研究发现在较低温度下纳米铜的热膨胀系数是多晶铜的两 倍，纳米晶体中界面原子较晶内原子有强烈的非简谐振动，对热膨胀行为有较大 的贡献。实验结果表明，纳米晶体中存在的微空隙对材料的热膨胀性能有明显的 影响。纳米微粒能在较低温度下实现烧结致密化。这是因为纳米微粒比表面积大， 表面能高，界面能高，熔化时所需增加的内能小，熔点下降所致。纳米微粒的烧 结温度远远低于纳米块体材料。超细晶材料的界面结构中原子分布比较混乱，与 常规材料相比，界面体积分数较大，因而超细晶材料熵对比热的贡献比常规材料 的大得多，即比热比较大。在1 5 0 3 0 0 k 温度范围内，纳米铜的定压比热比多晶 2 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 铜增大9 1 1 。 材料的热膨胀与晶格非线形振动有关。纳米晶体在温度变化时非线形热振动 可分为晶内与晶界的非线形热振动两个部分。其中占体积分数很大的界面对超细 晶材料热膨胀的贡献起主导作用。纳米铜( 8 n m ) 在l1 0 2 9 3 k 的温度范围内的 膨胀系数为3 1x1 0 飞，而单晶铜为1 6 x1 0 1 k 一。可见纳米晶体比常规晶体热膨 胀系数几乎大1 倍。 超细晶材料的热稳定性十分重要，它关系到材料的优越性能究竟能在多高温 度下使用。其热稳定性除受传统的晶粒稳定性因素影响外，还与超细晶体的结构 特征，如界面能、晶格畸变等因素有关，还受品粒的晶粒尺寸的影响，晶粒尺寸 越小其稳定性越好，出现反常的热稳定性现象。 超细晶微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多，原因 是其表面积大、表面能高、界面能高。 1 2 3 电学性能“ 纳米晶体随晶粒尺寸的减小晶格畸变加剧( 晶格膨胀或压缩) ，对材料的电 阻率产生明显的影响，利用l a n d a u e r 理论对纳米材料晶体部分的晶格畸变对材 料电阻率影响的研究表明，纳米金属材料的电阻率随晶格膨胀率增加丽成非线性 升高，其主要原因是晶界部分对电阻率的贡献增大，并且界面过剩体积引起的负 压强使晶格常数发生畸变，各反射波的位相差发生改变，从而使电阻率发生变化。 ( 1 0 2 5 n m ) 纳米晶体钯试样的电阻比常规材料钯高，纳米晶体钯的电阻温度系 数随粒径减小而降低。超细晶晶体随晶粒尺寸减小，晶格畸变加剧，对材料的电 阻率产生明显的影响，即电阻率随晶格膨胀率增加而呈非线形升高。材料的比电 阻随晶粒尺寸的减小而增大，随湿度的升高而升高，电阻温度系数随晶粒尺寸的 减小。当晶粒小于莱一临界尺寸( 电子平均自由程) 时，电阻温度系数还可能由 正变负。 1 2 4 磁学性能8 “鲫 由铁磁性和非磁性金属材料组成的纳米结构多层面表现出巨磁电阻效应。有 磁性纳米颗粒均匀分散于非磁性介质中所构成的纳米颗粒膜，在磁作用下也具有 昆明理工大学硕士学位论立 第一章绪论 铜增大9 1 1 。 材料的热膨胀与晶格非线形振动有关。纳米晶体在温度变化时非线形热振动 可分为晶内与晶界的非线形热振动两个部分。其中占体积分数很大的界而对超细 晶材料热膨胀的贡献起主导作用。纳米铜( s n m ) 在1 1 0 2 9 3 k 的温度范围内的 膨胀系数为3 1 1 0 飞，而单晶铜为1 6 x1 0 1k _ 。可见纳米晶体比常规晶体熟膨 胀系数几乎大1 倍。 超细晶材料的热稳定性十分重要，它关系到材料的优越性能究竟能在多高温 度下使用。其热稳定性除受传统的晶粒稳定性因素影响外，还与超细晶体的结构 特征，如界面能、晶格畸变等因素有关，还受晶粒的晶粒尺寸的影响，晶粒尺寸 越小其稳定性越好，出现反常的热稳定性现象。 超细晶微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多，原因 是其表面积大、表面能高、界面能高。 1 2 3 电学性能。“1 纳米晶体随晶粒尺寸的减小晶格畸变加剧( 晶格膨胀或压缩) ，对材料的电 阻率产生明显的影响利用l a n d a u e r 理论对纳米材料晶体部分的晶格畸变对材 料电阻率影响的研究表明，纳米金属材料的电阻率随晶格膨胀率增加而成非线性 升高。其主要原因是晶界部分对电阻率的贡献增大，并且界面过剩体积引起的负 压强使晶格常数发生畸变，各反射波的位相差发生改变，从而使电阻率发生变化。 ( 1 0 2 8 n m ) 纳米晶体钯试样豹电阻比常规材料钯高，纳米晶体钯的电阻温度系 数随粒径减小而降低。超细晶晶体随晶粒尺寸减小，晶格畸变加剧，对捌料的电 阻率产生明显的影响。即电阻率随晶格膨胀率增加而呈非线形升高。材料的比电 阻随晶粒尺寸的减小而增大，随温度的升高而升高，电阻温度系数随晶粒尺寸的 减小。当晶粒小于某一临界尺寸( 电子平均自由程) 时，电阻温度系数还n r 能由 正变负。 1 2 4 磁学性能一“m 由铁磁性和非磁性金属材料组成的纳米结构多层面表现出臣磁屯阻效应。有 磁性纳米颗粒均匀分散于非磁性介质中所构成的纳米颗粒膜，在磁作用下也具有 磁性纳米颗粒均匀分散于非磁性介质中所构成的纳米颗粒膜，在磁作用下也具有 昆明理工夫学颁士学位论文 第一章绪论 巨磁电阻效应。材料的磁学性能与其组分、结构和状态有关。一些磁学性能如磁 化强度、磁化率等与材料的晶粒大小、形状、第二相分布及缺陷密切相关；另一 些磁学性能如饱和磁化强度、居里温度等与材料中的相及其数量有关。 超细晶材料与常规材料在结构上，特别在磁结构上有很大的差别，因此在磁 性方面有其独特的性能。超细晶粒材料的一个晶粒为一个磁畴，这种磁结构使磁 化的特点也更加优良，使材料具有饱和的磁化强度、良好的磁性转变。除磁结构 和磁化特点不同外，超细晶材料的颗粒组元小到纳米级，具有高的矫顽力，低的 屠里温度，颗粒尺寸小于某一临界值时，具有超顺磁性等“1 。 1 2 5 光学性能阳3 当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长光的激发下发光，既所谓的 发光现象。纳米材料的吸收光谱还存在“蓝移”现象，即吸收发射谱向短波方 向移动，这主要是由于纳米材料所具有的量子尺寸效应，金属纳米微粒具有宽频 带强吸收性质。超细晶块体材料在结构上与常规材料有很大差别，突出表现在小 尺寸颗粒和庞大体积分数的界面，界面原子排列和键的组态的无规则性较大，使 超细晶材料的光学性能出现一些与常规材料不同的新现象，如红外吸收( 红外吸 收谱中出现蓝移和宽化) 、荧光现象、光致发光等。 1 2 6 应用前景 正由于纳米材料的众多令人心动的特性，纳米技术成为了跨世纪的新学科， 是国两科学界、工程技术界关注的热点，是2 0 世纪末兴起的一个高科技领域， 目前纳米( 超细晶) 材料已在食品、化妆品、医疗、保健、农业、工业、印刷、 电子通讯、环保、交通、建筑、国防、核计术等方面都已得到或正在越来越广泛 的应用。在北京召开的国际纳米材料高层论坛与技术应用研讨会上专家预测：纳 米技术、信息技术和生物技术，将成为2 l 世纪社会发展的三大支柱“。纳米( 超 细晶) 材料的最大的优点是在于纯金属的强度达到甚至超过了相应合金的水平。 纳米金属材料的潜在应用具有巨大的伸展空间，相对更高的拉伸强度、疲劳强度 及延伸性使它们适用于视“强度”和“相对强度”为关键性能的应用中，如运输、 航空航天、运动器械、化学和食品加工等应用中，将展现出无限广阔美好的前景。 4 昆明理工大学硕i ：学位论文 第一章绪论 纳米技术的发展，将重新排列各国在世界经济中的地位，成为当今世界大国争夺 得的战略制高点“。所以，世界各国都竟相投入重资研发纳米材料。由于纳米材 料得到优越性能，在各个领域均具有重要的应用价值。纳米技术将面向2 l 世纪 的信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等领域具有重大意义，它将会是一 项重大的技术革命，必将引起2 】世纪的又一次产业革命“ 在光学方面，它可以作为吸波隐性材料、光反射材料，还可应用于光通讯、 光存、光开关、光过滤等方面。在电学方面，它可以制成导电浆料、绝缘浆料、 电极等，也可制成置子器件、压敏和非线性电阻。在磁学方面可做为永磁吸波材 料、磁制冷材料、磁流体、磁光件等，在力学方面，可以制备出超硬、高强、高 韧性材料，有望解决陶瓷材料的脆性。在医学方面，纳米技术的初期应用将集中 于机体外，如诊断和药物生产，最有价值的应用是在体内。纳米粉体材料和纳米 多孔材料可以作为催化剂；利用纳米粉体的悬浮性可以制备高精度的抛光液；纳 米结构材料在过滤器、能源材料、环保用材等方面也具有广泛用途1 。 1 3 研究意义和相关领域的研究进展及技术原理 超细晶量级( 亚微米及其以下) 的金属材料在室温下，性能发生一系列巨大 而有益的变化，具有很强的应用价值。超细晶( 纳米) 块体材料是具有优良综合 物理性能和力学性能的结构或功能材料。实验观察已证实“”2 “：纳米材料中的 位错极少材料的超细及多晶界面特征使它具有高的强度和硬度，表现为正常的 h a l 卜p e t c h 关系，也有反常的h a l 卜p e r c h 关系，也有的偏离h a l l - p e t c h 关系， 及强度和硬度与晶粒尺寸不呈线性关系。纳米材料不仅具有高的强度和硬度，而 且还具有好的塑性和韧性。且由于界面高的延展性而表现出超塑性现象：纳米材 料晶体界面原子分布比较混乱，界面体积百分数大，因而其熵对比热的贡献大于 常规材料。研究发现在较低温度下纳米铜的热膨胀系数是多晶铜的两倍，纳米晶 体中界面原子较晶内原子有强烈的非简谐振动，对热膨胀行为有较大的贡献：纳 米晶体随晶粒尺寸的减小晶格畸变加剧( 晶格膨胀或压缩) ，对材料的电阻率产 生明显的影响，利用l a n d a u e r 理论对纳米材料晶体部分的晶格畸变对材料电阻 率影响的研究表明，纳米金属材料的电阻率随晶格膨胀率增加而成非线性升高， 其主要原因是晶界部分对电阻率的贡献增大，并且界面过剩体积引起的负压强使 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 晶格常数发生畸变，各反射波的位相差发牛改变，从而使电阻率发生变化；由铁 磁性和非磁性金属材料组成的纳米结构多层面表现出巨磁屯阻效应，有磁性纳米 颗粒均匀分散于非磁性介质中所构成的纳米颗粒膜，在磁作用下也具有巨磁电阻 效应。 传统的纳米材料制备方法还存在着不能获得大尺寸块体，材料内部有徼孔隙 存在，工艺过程复杂，产业化困难等不足。纳米材料传统的制备方法指的是气 相沉积啪“、电沉积。1 、溅射法“3 、机械合金“1 等制备纳米( 超细晶) 结构 材料的方法。这些制备块体纳米材料的工艺过程复杂，制备成本高昂，其产品产 量小，体积也小，只能为实验室的研究提供小批量试样；而对类似于“机械合金 法”的制备块体材料方法而言，其纳米粉体的加压成型还会遇到纳米粉体团簇和 晶往长大的问题。因此，传统制备纳米块体材料的方法所遇到的这些难题无法回 避且难以解决。 深度塑性变形( s p d ，s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ) 回避了粉体压制成块 体的难题，直接对金属块体材料进行强烈塑性变形加工，直接细化金属晶粒，使 之鼯粒度达到超细晶量级( 亚微米及其以下) ；深度塑性变形( s p d ) 克服了制备 块体材料方面超细晶稳定性问题，且可以直接制备出大体积金属材料，从而又解 决了超细晶材料制备的量的问题，因此正成为各国学者研究的焦点。 s p d 的加工方法主要有：等径角挤压”7 “( e c a p ， 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 ) 、高压旋转嘲。( h f r r ，h i g hp r e s s u r ea n dt o r s i o n ) 、叠轧法”15 ( a r b ， a c c u m u l a t i v er o l l o n d i n g ) 、折皱一压直法汹( r s c ，r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o n a n ds t r a i g h t e n i n g ) ，在国内北京机电研究所超塑技术研究室陆文林、王勇、冯 泽舟等人“”开发了“沙漏挤压”工艺制备超细晶体材料。这些方法都是通过对块 体金属材料直接进行反复( 理论上可以达到无限次) 塑性变形，材料内部的晶粒 发生反复的相互压缩和剪切应变，在这种反复的压缩和剪切作用下晶粒被切碎， 逐步细化，再结合适当的热处理工艺控制金属再结晶温度和速度，最终得到超细 晶或纳米尺寸的晶粒，同时，伴随晶粒的超细晶化材科性能发生根本性的突变。 1 3 1 等径角挤压( e c a p ，e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ) 等径角挤压是一种以纯剪切方式实现块体材料大塑性变形的金属成形工艺。 等径角挤压在不改变材料横截面积和横截面形状的条件下，只经过数次变形所产 6 昆明理工大学硬士学位论文 第一章绪论 生的剪切应变量就相当于正应力作用下完成1 0 0 ：1 甚至1 0 0 0 ：l 压下率的累积 应变量。 图1 1e c a p 法示图 f i g 1 1e c a p ，e q u a lc h a r m e la n g u l a rp r e s s i n g 等径角挤压在一个特别设计的模具中进行，如图1 1 所示。模具包括两个横 截面相等，相互垂直的通道。在等径角挤压过程中，与模具中的通道紧密配合且 与模壁润滑良好的试样在压力p 的作用下，向下挤压，当通过两通道的交叉处时， 试样经受近似理想的纯剪切变形。由于试样在每次挤压前后有相同的横截面积和 横截面积形状，因此可多次挤压以获得理想的剪切应变量。 e c a p 法制备的纳米( 超细晶) 材料有高的屈服强度、低温高应变速率超塑性、 较好的热稳定性，并且具有如下优点：( 1 ) 试样形状在挤压后保持不变，因而可 以反复挤压产生太的应变；( 2 ) 能够加工大体积试样并获得纳米( 超细晶) 组织： ( 3 ) 有助于消除材料和初始组织中的缺陷。因此e c a p 法是一种很有前途的制各纳 米( 超细晶) 体材料的方法。 1 3 2 沙漏挤压( s a n d g l a s se x t r u s i o n ) 沙漏挤压法最早由波兰科学家申请专利，而我国陆文林、王勇、冯泽丹( 北 京机电研究所超塑技术研究室) 及海锦涛( 机械科学研究院) 在此方面开展了 制备超细晶材料的研究。与e c a p 法相似，沙漏挤压也是在一个等径模具中对块 体材料反复进行挤压加工，使材料获得很大的累积变形量，同时晶粒逐步细化， 从而抉得超细晶材料。 1 昆 i l j 理工大学硕士学位论文 第一章绪论 ， 。 i - j f ，- 疆艟奠a l 一西仵j 察也i 卜型量事n ： 了抖n 图1 2 沙漏挤压图示 f i g i 2s a n d g l a s se x t r u s i o n 沙漏挤压工艺如图i 2 所示：将试样装入的模具型腔内( 如型腔模) ，加热 并保温足够时间后开始挤压。首先对试样进行预压使其充满由顶杆a 、b 及型腔 模a 、b 和模芯所包围的封闭空间。然后在两顶杆上同时施加压力，并使两顶杆 以相同的速度向同一方向( 如f 方向) 运动。此时试样在型腔a 内受到正挤压变形， 而在型腔b 内则受到墩粗变形。当型腔a 内的试样全部被挤压到型腔b 时，这时 向f 方向的运动结束。然后两顶杆再向相反的方向同步运动。重复以上的过程， 直至获得所要的应变为止，这时移去一侧顶杆，将试样由另一侧挤出。原则上说 这一过程可以无限次的进行下去从而获得无限大的应变。将两项杆固定，往复 移动型腔模，也可以达到同样效果。改变模芯的最小直径尺寸即调整挤压比， 可以获得不同的挤压效果。 沙漏挤压是一种新的晶粒细化方法，其挤压比易于调节，因而可以产生非常 强烈的应变，同时获得大体积的超细晶材料。 i 3 3 高压旋转( h f r ，h i g hp r e s s u r ea n dt o r s i o n ) h p t 的工作原理( 图1 3 ) 是样品在高压力、冲头高速旋转产生的摩接力和 剪切力的共同作用下，制得纳米体材料如图1 3 所示。目前该方法可制备的样品 尺寸为由1 2 - - 2 0 1 r e x ( 0 2 1 ) m 、径粒度为2 0 1 5 0 h m 的薄片。 h p t 技术不仅适合制备金属纳米材料，而且还适合金属一陶瓷纳米复合材料 的制备，俄罗斯采用s p d 法研制纳米颗粒增强金属基复合材料，材料类型包括铜 + t 5 a lo = n i n 9 0 5 x i 合金、6 0 6 1 a l + i o a l 。0 。和2 0 0 9 a i + 1 5 s i c 等，提出的具 体性能指标为：( 1 ) 铜纳米复合材料：屈服强度为7 0 0 m p a 、热导率为3 5 0 w m k ： ( 2 ) a l 基纳米复合材料：屈服强度为9 0 0 m p a ，在温度小于3 5 0 c 、应变速率小于 8 垦塑垄三查兰堡主兰皇堡茎 一 一整二兰_ 兰! 皇l 1 0 一z s 条件下断裂延伸率大于1 0 0 0 ，热导率为1 1 0 w m k 。h p t 法制备的材 料有纳米( 超细晶) 材料的优秀特性，但由于模具和工具的限制，其形状一般只 能为圆盘，厚度也不能太大，同时产品数量有限，这些不足限制了h v r 法的发展， 图1 3h p t 法圈示 f i g 1 3m y r ，h i g hp r e s s u r ea n dt o r s i o n 1 3 4 折皱一一压直法( r c s ，r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n d s t r a i g h t e n i n g ) 图1 4 折皱压直法图示 f i g 1 4r c s ，r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a j g h t e n l n g r c s 法是生产超细晶材料的加工方法，图1 4 说明了该工艺的加工原理。工 件经过齿轮状的轧辊轧制，工件扭曲变形，且没有压下量，工件获得第一次形变 加工；工件出轧辊后进入两个平辊，将扭曲的工件压直，可以在弹性范围内进行 压下，这个过程可以看作是校直过程，这时工件获得第二次形变加工。然后再进 行二次轧制，工件在如此反复的加工下晶粒逐步细化。而且因为没有压下( 或较 小的压下) ，加工后的工件能够基本保持原始尺寸，从而理论上工件利用获得无 限的变形加工。 9 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 这是一种比较成熟的加工方法，加利福尼亚大学的l o sa l a m o sn a t i o n a l i a ) o r a t o r y ( l a n l ) 是与美国能源部签订合约的国家实验室，目前已经有很多公 司与l a n l 联系，以获得用r c s 法开发商用材料市场的许可证。与上述s p d 方法 相比r s c 所需的加工压力小；r s c 采用轧制来制备纳米( 超细晶) 材料提高了生 产效率。同时，加工压力减小和生产效率的提高有利于降低成本，符合商业大生 产的需要。 1 3 5 叠轧法( a r b ，a c c u m u l a t i v er o l l - b o n d i n g ) 巨蔓匦三弓一一匝豳i 忠然彳_ 图1 5 叠轧法示圉 f i g 1 5a r b ，a c c u m u l a t i v er o l l b o r l d i n g 日本的n t s u j i 等用叠轧法( a c c u m u l a t i v er o l 卜b o n d i n g ，a r b ) 制备出了 超细晶体材料。n t s u j i 的轧制工艺如图1 5 。实验材料是3 0 0 2 0 0 xl 纯铝板 ( 1 1 0 0 ) ，其初始晶粒度为3 7 u m ，图1 5 描述了铝板在a r b 法中反复叠合、轧制 的过程。首先，铝板被叠合叠合的面要进行脱脂处理和线刷打磨，并在电炉 中4 3 7 k 下保温3 0 0 秒，然后送入轧辊轧制。实验中，轧辊直径为2 5 5 m m ，轧制 时不用润滑剂，压下率为5 0 ，使轧后的铝板厚度保持不变仍然为l i i n 。叠 合过后的铝板长厚比为7 5 ，因而铝板只有延伸没有宽展。轧后的铝板在空冷后 再次叠合，进行上一次工序的反复。在现行工艺条件下，可以保证铝板良好的压 合和表面平整。在8 次a r b 循环后( 铝板的累计真应变为6 4 ) 用透射电镜观察 发现，晶粒度为2 4 0 n m ，薄层晶界主要是大度晶粒，同时存在大量的低角度晶粒 说明有横向晶界存在，因此，要获得良好的等轴晶粒还必须进行必要的退火处理。 叠轧法其实早以用在工业生产中，目的是为了获得薄板，而且最后需要靠人 垦竺墨三查兰堡兰垡丝塞一 一兰二兰! 羔l 工分离叠合的板材。其工作强度大，危险性高，现以被淘汰。但在研究纳米( 超 细晶) 体材料制备的方法中，叠轧法通过对板的叠合克服了因轧机弹性交形而造 成的“最小轧制厚度”问题，使得板材可以获材得很大的累积变形，同时获得超 细晶晶粒。叠轧法工艺对设备无特殊要求，生产效率高，而对产品质量提高又很 大，因此进行叠轧法研究具有理论和实用意义。 我国各行各业对板带材的需求量巨大，并且高性能高质量产品更受市场欢 迎，而纵观我国数量巨大的扳带轧机，叠轧法在不更换设备的基础上只须对轧前 轧后工艺稍作调整，就能够生产出组织性能优异、适用于电子产品和微成型的板 带材；此外，对s p d 的理论研究才起步，在这个领域上我们还有许多工作可以作， 因此对熹轧法应用的研究将具有很深刻的理论和实用意义。 下面是几种s p d 方法的比较： 衰1 1 几种s p d 方法的比较 t 曲l e l 1c o 帅a r i s o no ft h e s e s p dt e c h n i c s 细化方式加工方式连续生产单位产量存在阔露 等径角挤压纯剪切模具加1 j 否 较小( 受限于模具)模具加工滩。模具 损耗大且修复困 难 高压旋转剪切晶 模具加t否小( 受限于模具)模具损耗大对压 粒间摩擦 力设冬有缀离要 求 折皱压直晶粒的反模具加t可以较大( 宽受限于轧轧辊加工困难，轧 复拉伸压 轧制 辊、长度方向不受辊磨损大，难以修 缩限制，轧制速度受复 限于辊型) 叠轧法挤压晶轧制是大( 宽、厚受限于同普通轧制加工， 粒间摩擦轧机，长度方向不 但对热处理有特 受限制，轧速快)殊要求 从上面的比较可以看出：大塑性剪切变形是实现晶粒超细化，获得具有超细 晶结构块体材料的最有效的变形方式。在已有的s p d 方法中，等径角挤压( e c a p ) 、 高压旋转( h p t ) 受到模具限制，使得制备的块体材料体积受到限制，且加工过 程不连续，从工艺上就限制了其大规模生产；折皱一压直法( r c s ) 引入了轧制 的概念，摆脱了模具的限制而且使生产连续化，但其轧辊加工难度大、磨损大且 由于可能在轧制时出现宽展，因而不能保证试样的侧面质量，也不能成为理想的 方案；叠轧法( a r b ) 工艺运用的主体设备简单，为常用的板带利轧机，产量火， 产品质量稳定，因而是一种极具生产潜力值得研究的使超细晶或纳米块体材料产 昆l 引理工大学硕士学位论文第一章绪论 、i p 化的牛产技术，但叠轧法( a r b ) 由于中性层与复合面重合，界面复合仅仅靠 正压力的作用，缺乏金属相互流动的交融，参与界面复合的机制和参与晶粒细化 的机制太少。基于此原因，我们提出了具有搓轧特点、更能提高晶粒间摩擦强度， 增大剪切变形和促进界面复合的异步叠轧工艺”。 大变形异步叠轧是利用两个工作辊面不同的表面线速度，改变金属沿辊面的 滑动方向即摩擦力的方向，在变形区内发生剧烈的剪切压缩塑性变形，因此。 为利用该剧烈的剪切压缩塑性变形，达到细化品粒的目的，我们提出采用异步轧 带4 进行叠轧，最大程度的利用异步轧制过程中的剪切一压缩塑性变形，以及多道 次累积轧制可以获得理想的累积等效真应变，在保持带材厚度的前提下，实现有 限道次内消除复合界面，获得超细晶结构，此为本项目的理论基础，具有新颖性 和学科前沿性：该技术方法还具有常规轧制的特点，是一种优于叠轧法的，能够 有效降低轧制压力，增大变形量，提高产品精度的一种轧制方法，能够实现超细 晶带材的连续化工业生产，具有很好的应用前景。 t 。4 叠轧和界面复合的基本原理 塑性变形是变形体在外力的作用下，其大量原子群多次地、定向地从一个稳 定平衡位置转移到另一个稳定平衡位置，在宏观上便产生了不能恢复的塑性变 形a 根据原子成群移动发生的条件和方式不同，可观察到各种不同的塑性交形机 制，诸如滑移、孪生等。 轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之问形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并 使之受到压缩产生塑性变形的过程，轧制过程除使轧件获得一定的形状和尺寸 外，还具有一定的机械性能提高。 1 4 1 轧制原理及主要参数 轧件承受轧辊作用发生变形的部分称为轧制变形区，即从轧件入辊的垂直平 面到轧件出辊的垂直平面所围成的区域，通常又把它q 做几何变形区。轧制变形 区主要参数有：( 1 ) 咬入角即轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和 轧辊中心连线与轧辊中心连线所构成的圆心角。( 2 ) 接触弧长是轧件于轧辊相接 触的圆弧的水平投影长度。 1 2 垦堕堡三查堂堡主兰垡堡塞一二翌二童堕堕一 笔扁1形) 一一一蝴 匿誊銮鬻 罄；蒜祭瑟函 金k2 人j 冬、。夕一f 璃 圈l 6 同步轧制过程 f i g 1 6p r o c e s so fs y n c h r o n i z e d r o l l i n gt e c h n i c s 、 7 o 几阿中心层( 叠台面) 一彳l n i 涎谴1lt !正 j i再专 一龟 k ，万 乜| 、一， 、 实际辱性层 图1 7 异步叠轧示意图 f i