（材料加工工程专业论文）cu及cuzn合金等通道转角挤压晶粒细化效率的层错能相关性研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：删 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或 湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：j 滥导师签名：塑日期：坐月 摘要 等通道转角挤压( e c a e ) 作为剧烈塑性变形( s p d ) 的一种，由于 能够制备块体超细晶材料，充分发掘材料的力学物理性能，而越来越 受到人们的关注。迄今为止，e c a e 的研究主要集中在通过改变工艺 参数( 如工艺路径、模具参数、挤压道次等) 来说明对晶粒细化效率 的影响，但对于在相同工艺条件下，不同材料的层错能对晶粒细化效 率的影响问题，尚缺乏系统深入的研究。 本文选取工业常用的铸态t 2 纯铜、h 9 0 黄铜( c u - 1 0 w t z n ) 及 h 6 5 黄铜( c u 3 5 w t z n ) 作为实验材料，其层错能分别为7 8m j m 2 、 3 5m j m 2 和 路径 c 路径。 ( 3 ) 通过分析t e m 测试的位错结构和选区电子衍射花样，探讨 了层错能对晶粒组织微观特征及变形机制的影响。结果表明：对于不 同层错能材料，t 2 纯铜变形后的t e m 组织中无孪晶，随着层错能的 降低，h 9 0 及h 6 5 黄铜的t e m 组织中均发现了形变孪晶。孪晶和层 错的出现阻碍了位错的运动，使亚晶界或晶界增加，导致平均晶粒尺 寸减小，h a g b s 比例升高，晶粒细化效果更好。经相同的e c a e 变 形后，t 2 纯铜变形机制仅有滑移，随着材料层错能的降低，h 9 0 及 h 6 5 黄铜变为滑移和孪生相协调，且层错能越低，晶粒尺寸越小，细 化效果越好。 ( 4 ) 通过分析t 2 、h 9 0 和h 6 5 经不同路径不同道次e c a e 加工 后的显微硬度变化情况，探讨了层错能对材料力学性能的影响。结果 表明：对一种材料同一道次三种不同的工艺路径，显微硬度均是彳 路径 b c 路径 c 路径。在相同的e c a e 实验条件下，随着材料层错 能的降低，经相同路径同一道次e c a e 变形后，材料的显微硬度升高， 且层错能低的材料，随变形量增大硬度增加幅度更高；这些规律与层 错能及加工条件对晶粒细化效率的影响一致。 关键词等通道转角挤压( e c a e ) ，铜及黄铜合金，层错能，晶粒细化 a b s t r a c t e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ( e c a e ) i sap r o c e s s i n gm e t h o do f s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) i td r a w sg r o w i n ga t t e n t i o nd u et oi t s a b i l i t yt of a b r i c a t eu l t r a - f i n eg r a i n e dm a t e r i a l si nb u i kf o r ma n dt h u st o i m p r o v et h e i rm e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s t od a t e ，r e s e a r c h e so n e c a em a i n l yf o c u so nr e v e a l i n gt h ee f f e c to fv a r i o u sp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s ( p r o c e s s i n gr o u t e ，d i ep a r a m e t e r , p a s sn u m b e r , e t c ) o ng r a i n r e f m e m e n te f f i c i e n c y 1 1 1 ee f f e c to fs t a c k i n gf a u l te n e r g y ( s f e ) o nt h e g r a i n r e f i n e m e n t e f f i c i e n c y i nd i f f e r e n tm a t e r i a l su n d e rt h es a m e p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，h o w e v e r , r e q u i r e sf u r t h e rs t u d i e s t h r e ea s c a s tm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n ts f e s ，n a m e l y , t 2p u r ec o p p e r ( 7 8 m j m 2 ) ，h 9 0b r a s s ( o rc u - 10 w t z n ，3 5 r r d m ) a n dh 6 5b r a s s ( o r c u - 35 w t z n ，14 m j m 2 ) w e r ec o n s i d e r e d d e t a i l e dm i c r o s t r u c t u r e a n a l y s e sw e r ec o n d u c t e do nt h e s em a t e r i a l sa f t e rb e i n gp r o c e s s e db v e c a ei nad i ew i m = 12 0 0v ao p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n de l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e bs d ) t e c h n i q u e s v i c k e r sm i c r o h a r d n e s st e s t sw e r ea l s op e r f o r m e dt od i s c u s s t h ee f f e c to fs f e so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd u r i n ge c a e ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h ef e a t u r eo fo mm i c r o s t r u c t u r e s ，w ee v a l u a t e d t h ef e a t u r e sa n dd e n s i t i e so fs l i pb a n d si nt 2 、h 9 0a n dh 6 5a f t e re c a e v i ad i f f e r e n t p r o c e s s i n g r o u t e sa n du pt od i f f e r e n tp a s s e s ，a n d p r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e dt h ee f f e c to fs f e s o nt h e g r a i n r e f i n e m e n t e f f i c i e n c yu n d e rt h ed i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t , f o rr o u t ea ，t h ei n c l i n a t i o na n g l eo fd e v e l o p e ds l i pb a n d s 丽廿lr e s p e c tt o t h ee x t r u s i o nd i r e c t i o n ( e d ) d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp a s sn u m b e r , u n t i la b o u t15 0a f t e re i g h tp a s s e s ；t h ei n c l i n a t i o na n g l es t a y sa l m o s t u n c h a n g e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp a s sn u m b e r f o rr o u t e sb ca n dc a n di ti s a b o u t6 0 0 w ec a l lg e tt h ep r e l i m i n a r yc o n c l u s i o nt h a tf o ram a t e r i a lw i l t h es a m en u m b e ro fp a s s e sb u tt h r e ed i f f e r e n tp r o c e s s i n gr o u t e s ，g r a i n r e f i n e m e n te f f i c i e n c yd e c r e a s e sf r o mr o u t e sat ob ca n dt h e nc n e d i f f e r e n c ei nr e f i n e m e n tb e t w e e nr o u t e saa n db ci sr e l a t i v e l ys m a l l r o u t ea1 e a d st ot h em o s te 衢c i e n tr e f i n e m e n tw h i l er o u t ecl e a d st ot h e l e a s t ；f o rm a t e r i a l s w i t hd i f f e r e n ts f e sp r o c e s s e du n d e rt h es a m e i l l c o n d i t i o n ，m o r eu n i f o r mm i c r o s t r u c t u r ew i t hah i g h e rd e n s i t yo fs l i p b a n d sa r eo b t a i n e dw i t ht h ed e c r e a s eo fs f e ( 2 ) q u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o n so ft h em e s o s c o p i cm i c r o s t r u c t u r e f e a t u r e sa n dm i s o r i t a t i o na n g l ed i s t r i b u t i o n sw e r ec o n o u c t e ob e t w e e nlz 一一一 -_i1 r 1 a n dh 9 0a f t e re c a et oe x a m i n et h ee f f e c to fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa n d s f eo nt h eg r a i nr e f i n e m e n tw i t ht h ea i do fe b s da n a l y s e s 1 1 1 er e s u l t s s u g g e s t t h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fp a s sn u m b e rf r o m1t o8 ，t h e m i c r o s t r u c t u r eb e c o m e sm o r eu n i f o r mw i t has m a l l e rg r a i ns i z ea n da g r e a t e rp r o p o r t i o no fh i g ha n g l eg r a i nb o u n d a r i e s ( h a g b s ) t h ea v e r a g e g r a i ns i z ed e c r e a s e sa n dt h ep r o p o r t i o no fh a g b si n c r e a s e sw i t ha d e c r e a s eo fs f eu n d e rt h es a m ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n s t h e r ea r ed i s t i n c t d i f f e r e n c e sa m o n gm i c r o s t r u c t u r e so ft h es a m em a t e r i a la f t e r8p a s s e sv a d i f f e r e n tr o u t e s r o u t eal c a d st oam i c r o s t r u c t u r ec o n s i s t i n go fm a i n l y e l o n g a t e dg r a i n st o g e t h e rw i t hs o m ef i n ee q u i a x e dg r a i n s r o u t eb cl e a d s t oam i c r o s t r u c t u r ew i t hm a i n l yf i n ee q u i a x e dg r a i n sa n ds o m ec o a r s e r g r a i n s r o u t ec l e a d st oam i c r o s t r u c t u r eo fn e a r l ye q u i a x e dg r a i n sw h i c h a r el a r g e rt h a nt h a to fr o u t eao rb c g r a i n sr e f i n ei nt h ef o l l o w i n go r d e r o f r o u t e s ：a b c c ( 3 ) t h ee f f e c to fs f eo nt h em i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e sa n du n d e r l y i n g d e f o r m a t ：i o nm e c h a n i s m sw a si n v e s t i g a t e dw i t ht h ea i do ft e ma n a l y s i s o nt h ed i s l o c a t i o ns t r u c t u r e sa n ds e l e c t e da r e ae l e c t r o nd i f f r a c t i o n ( s a e d ) p a t t e r n f o rm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n ts f e s ，t e mo b s e r v a t i o ns h o w st h a t t h e r ea r en oa p p a r e n tt w i n si nt h ed e f o r m e dt 2p u r ec o p p e rw h i l et h e r e a r ea p p a r e n td e f o r m a t i o nt w i n si nt h el o w e r - s f eh 9 0a n dh 6 5 s i n c et h e m o t i o no fd i s l o c a t i o n si so b s t r u c t e db yt h eo c c u r r e n c eo ft w i n s ，t h e d e v e l o p m e n to ft w i n sh a st h ee f f e c to fi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fs u b - g r a i n ( o rg r a i n ) b o u n d a r i e s ，m i n i m i z i n ga v e r a g eg r a i ns i z e ，a n di m p r o v i n gt h e p r o p o r t i o no fh a g b s d i s l o c a t i o ns l i pi s t h eo n l ym e c h a n i s md u r i n g d e f o r m a t i o ni nt 2p u r ec o p p e rw h i l eb o t hs l i pa n dt w i n n i n go p e r a t ei n h 9 0a n dh 6 5 f u r t h e r m o r e ，t h eg r a i ns i z eb e c o m e ss m a l l e ra n dt h eg r a i n r e f i n e m e n tb e c o m e sm o r es i g n i f i c a n tw i t ht h ed e c r e a s eo fs f e ( 4 ) d i s c u s s i o no ft h ee f f e c to fm a t e r i a l ss f eo ni t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i sd o n e b ya n a l y z i n g t h em i c r o h a r d n e s si nt h e e c a e - p r o c e s s e dt 2 、h 9 0a n dh 6 5v ad i f f e r e n tp r o c e s s i n gr o u t e sa n d i v p a s s e s n er e s u l t ss u g g e s tt h a tf o ram a t e r i a lp r o c e s s e du pt ot h es a m e n u m b e ro fp a s s e sb u tv at h r e ed i f f e r e n tr o u t e s ，t h eh a r d n e s sd e c r e a s e si n t h ef o l l o w i n go r d e ro fr o u t e s ：a c u n d e rt h es a m ep r o c e s s i n g c o n d i t i o n s t h eh a r d n e s si n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo fs f ei nt h e m a t e r i a la n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nd i f f e r e n tm a t e r i a l sb e c o m em o r e a p p a r e n ta tah i g h e rs t r a i nl e v e l t h e s et e n d e n c i e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e f f e c to fs f ea n dp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so nt h eg r a i nr e f i n e m e n t k e yw o e d s e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ( e c a e ) ，c ua n d c u z n a l l o y s ，s t a c k i n gf a u l te n e r g y , g r a i nr e f i n e m e n t v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录。v i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2e c a e 技术一：。2 1 2 1e c a e 发展概况一2 1 2 2e c a e 原理一2 1 2 3e c a e 晶粒细化机制3 1 3e c a e 工艺的控制因素6 1 - 3 1 加工路径6 1 3 2 挤压道次9 1 3 3 模具结构1 0 1 3 4 其它因素11 1 4e c a e 变形后材料的力学性能l 3 1 5e c a e 应用前景1 5 1 6 层错能对晶粒细化的影响1 6 1 7 本课题研究内容、目的及意义一1 7 第二章实验过程与方法一19 2 1 实验研究路线1 9 2 2 实验材料与设备2 0 2 2 1 实验材料2 0 2 2 2 实验设备一2 0 2 3e c a e 加工一2 0 2 4 金相组织观察2 1 2 5 电子背散射衍射( e b s d ) 实验2l 2 6 透射电镜( t e m ) 组织观察2 2 2 7 显微硬度测试。2 3 第三章层错能对微观组织的影响。2 5 3 1 初始组织2 5 3 2e c a e 形变组织演变2 5 3 2 1 金相分析一2 5 3 2 2 电子背散射衍射分析3 5 3 2 3 透射电镜分析4 3 3 3 层错能对微观组织演变的影响规律4 5 3 4 晶粒细化的层错能相关性探讨4 8 3 5 本章小结4 9 第四章层错能对显微硬度的影响5 1 4 1 不同层错能材料经e c a e 加工后的显微硬度5 1 4 1 1 佗经e c a e 加工后的显微硬度5 2 v 4 1 2h 9 0 经e c a e 加工后的显微硬度5 2 4 1 3h 6 5 经e c a e 加工后的显微硬度5 2 4 2 层错能对维氏显微硬度的影响规律5 3 4 3 本章小结5 3 结论5 5 参考文献。5 7 攻读硕士学位期间取得的研究成果6 3 致谢6 5 v i i l 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百化 在影响多晶体材料的机械性能与物理性能的诸多因素中，材料的平均晶粒尺 寸起着很重要的、往往是决定性的作用【1 1 。多晶体材料的强度与平均晶粒尺寸d 有关，且一般都遵循经典的h a l l p e t c h 方程 吒= + 材圳2 ( 卜1 ) 式中魄是屈服强度，咖是一常数，大体相当单晶体的屈服强度，k 是屈服常数， 与晶界结构有关。由该式可知，随着平均晶粒尺寸的减小，材料的强度增加。此 外，材料的平均晶粒尺寸越小，其塑性与韧性也越好，因而近年来对超细晶的研 究已成为材料界研究的热点。根据多晶体的特点，超细晶( u l t r a f i n e g r a i n e d ，u f g ) 材料被定义为含有非常细小晶粒( 平均晶粒尺寸小于1 岬) 的多晶体；而对于块 体超细晶材料，不仅要求微观组织适度等轴、均匀，而且要求晶界多数为大角度 晶界g ha n g l eg r a i nb o u n d a r i e s ，h a g b s ) b o 大量h a g b s 的存在对获得优越的 与众不同的性能非常重要【2 】。 两种互补的制备超细晶材料的基本方法是“自下而上 法和“自上而下 法 【l j 。“自下而上法中，如电沉积，在实际应用中经常受限于只能制备非常小的 试样，也许能应用于电子器件领域，但不适用于大尺寸构件；并且“自下而上 法在制备试样的过程中总是会形成不同程度的残余孔隙并存在一定的污染【l 】。而 “自上而下法则不同，它是通过对粗晶的块体材料施加大应变或冲击载荷促使 其形成超细晶的微观组织。要使粗晶材料变成超细晶材料需要两个条件：第一是 大应变产生高的位错密度，第二是这些位错随后再分布形成一系列的晶界。由于 金属材料在室温或相对较低温度下的成形性比较差，传统的金属加工方法( 如挤 压和$ h s j j ) 往往因此无法获得足够的应变而很难制备超细晶材料。但是剧烈塑性 变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n , s p d ) 作为“自上而下”法中的一种，可以在室温 下通过对块体材料施加大应变使而使其形成超细晶组织，但块体材料的总尺寸却 不会发生明显的改变。剧烈塑性变形方法包括等通道转角挤压( e q u a lc h a n n e l a n g u l a re x t r u s i o n , e c a e ，亦称为e c a p ) 【1 ，3 一、高压扭转( h p t ) 【5 一、多向锻造 ( m f ) 阴、累积叠轧焊( a r b ) 【8 一、搅拌摩擦焊( f s p ) b 0 、反复折皱压直( r c s ) 【1 1 ，1 2 1 等。 在剧烈塑性变形的诸多方法中，e c a e 由于拥有以下优点而使其成为其中一 个非常引人注目的方法。第一，它能加工较大尺寸的试样，应用比较广泛；第二， 方法相对简单，能加工多种合金，除了制造模具，e c a e 不需要专门的设备，可 以在一般的压机上完成；第三，能应用于不同晶体结构的纯金属、合金、金属间 化合物及金属基复合材料等；多道次后能获得很高的应变，加工后组织均匀。 e c a e 的这些优点吸引研究者在过去的l o 多年间对其进行了大量研究，并获得 了许多进展【l 】。 1 2e c a e 技术 1 2 1e c a e 发展概况 2 0 世纪8 0 年代，前苏联科学家s e g a l 及其合作者提出了e c a e 工艺的概念 【l 】，最初的目的是在不改变材料的横截面积的情况下使其产生大的塑性变形，从 而使材料的重复变形成为可能。直到9 0 年代，随着纳米材料研究热的兴起，俄 罗斯科学家v a l i e v 等f 3 j 研究发现：试样经同一套模具循环挤压后，积累了很高的 等效应变，从而使材料的平均晶粒尺寸细化到亚微米级，开创了s p d 制备块体 超细晶材料的先河。随后e c a e 引起了各国材料科学工作者的关注，成为材料 领域的一个研究热点。目前，采用该工艺已成功制备出多种致密的块体超细晶材 料，如纯铜【1 3 1 叼及铜合金【1 7 ，1 8 1 、纯铝【1 9 】及铝合金【2 0 1 、钛合金【2 1 1 、镁合金 2 2 ，2 3 1 、 钢铁材料【2 4 1 、复合材料【2 5 l 等，且一些通过该工艺制备的材料己得到实际应用。 1 2 2e c a e 原理 e c a e 是一种以近似于简单剪切( s i m p l es h e a r ) 的变形方式来获得超细晶材 料的大塑性变形金属成形工艺【4 ，2 6 1 。e c a e 的原理如图卜l 所示，e c a e 模具由 两个横截面积相等、相互交叉且完全连通的通道构成，两通道的内交叉角度为， 外接弧角度为甲。在挤压过程中，试样在冲头压力的作用下向下运动，当通过两 通道的交截面时，经受近似于简单剪切的变形，由于可以反复挤压，累积相当大 总等效应变，从而使晶粒细化获得超细晶材料。c h o w d h u r y 等【2 7 】认为在e c a e 过程中晶粒细化的初始阶段，形成了具有小角度晶界( 1 0 wa n g l eg r a i nb o u n d a r i e s l a g b s ) 位错胞结构，l a g b s 一般都处于非平衡状态；随着变形的增加，l a g b s 将转变成更加稳定的h a g b s 。 在不考虑试样与通道间摩擦、材料无加工硬化等理想情况下，e c a e 产生的 总等效应变鼬取决于挤压道次和模具的几何参数( 内角、外角甲) 。s e g a l 4 1 最早提出在理想条件下且甲= o o 时，试样的总等效应变为： 知：等c 啪詈( 1 - 2 ) 知2 万c 啪i p 图卜1 等通道转角挤压模具示意图 后来，1 w a h a s h i 等f 2 8 】考虑外接弧角甲不等于零的情形，提出了如下计算总等效 应变的公式： 知= 爿2c o t ( 拦) m ( 拦) 3 ， 2 0 0 0 年，g o f o r t h 等学者【2 9 】经过理论分析和研究，提出了另一个计算总等效应变 的公式： 知= 爿2 c o t ( 拦h 4 ， 由此可见，内角和外角甲的变化对等效应变的影响很大。公式( 1 - 3 ) 和( 1 - 4 ) 在甲= o 的情况下等效于公式( 卜2 ) ，目前一般用公式( 1 - 3 ) 。 1 2 3e c a e 晶粒细化机制 尽管已有大量实验充分证实e c a e 可以有效细化金属材料的微观组织，但 相关的晶粒细化研究尚不深入，没有形成系统的理论。m i s h r a 等【3 伽认为金属材 料在e c a e 过程中，形变诱导晶粒细化是主要的晶粒细化机制。由于在低温( 室 温) 条件下，晶粒内部强度较晶界低，内部更容易变形，故初始的变形主要发生 在晶粒内部，e c a e 过程中组织的主要发展过程【3 0 】( 图卜2 ) 为：( 1 ) 位错均匀分 布；( 2 ) 形成拉长的胞状结构；( 3 ) 继续变形，取向差增大，胞状结构变成拉长的 亚晶粒；( 4 ) 拉长的亚晶被破碎：( 5 ) 最后，破碎的亚晶形成超细晶。 b 图卜2e c a e 过程中组织的演化【3 0 】 l a n g d o n | 3 1 1 认为在e c a e 过程中，由于三个主要路径( 路径彳、和c ，其 定义见1 3 1 节加工路径) 相邻道次间试样相对其长轴方向旋转角度的不同，随道 次增加各路径组织演化差别很大。l a n g d o n 以m = 9 0 。模具为例，建立了1 、2 和 x 翻曼艟 z t 西一x y 叁熬 一一一 一一 4 道次y 面( 相当于本文z 面，见图卜1 ) 上晶粒细化机制模型( 图1 - 3 ) ，其中t 1 为各道次间滑移系的夹角范围。根据该模型，沿路径么、b c 和c 挤压4 道次后y 面的微观组织见图1 - 4 ，由图易知，路径b c 形成了等轴晶组织，而路径彳和c 则是拉长的晶粒或亚晶，该结果与g h o l i n i a 等【3 2 1 及1 w a h a s h i 等【3 3 1 的实验结果一 致。由图卜3 可知，挤压4 道次后，y 面上沿路径艮的夹角范围最大，而路径 彳与路径c 的夹角范围则较低，l a n g d o n 认为在大的夹角范围内滑移有利于等轴 晶的形成。 y 翻搬魁纽 叁象垒 图1 - 4 沿路径彳、& 和c 挤压4 道次后y 面上的微观组织【3 1 1 x u e 等阱】基于纯铜经e c a e 加工后的t e m 分析结果，提出了1 道次e c a e 加工初始晶粒细化演变过程示意图( 图1 5 ) 。l 道次e c a e 加工时，初始粗晶进 入扇形区后在其内部产生大量位错，并组建成各向同性的位错胞结构，随挤压进 行，位错发生滑移使位错墙沿与滑移面平行分布，最后，二次滑移带与微带分割 使晶粒细化。 图卜5e c a e 加工初始晶粒细化演变过程示意图p 4 1 ： ( a ) 剪应力下初始粗晶粒；c o ) 位错产生并形成位错胞结构； ( c ) 位错滑移使位错墙沿滑移面平行分布；( d ) 二次滑移带与微带分割 1 3e c a e 工艺的控制因素 1 3 1 加工路径 由于e c a e 的过程可以连续进行，根据相邻道次间试样相对其长轴方向旋转 角度的不同，e c a e 加工路径主要分为么、b 和c 三大类，而根据旋转方向的不 同，路径b 还可以细分为b c 和毋，因此加工路径通常包括以下四种( 图卜6 ) 【3 5 j ： 路径4 为每次挤压后试样不做任何旋转进行下一道次挤压；路径毋为每次挤压 后试样旋转9 0 0 后再进行下一道次挤压，旋转方向交替变化；路径为每次挤 压后试样都沿同一方向旋转9 0 0 后再进行下一道次挤压；路径c 为每次挤压后试 样旋转18 0 0 后再进行下一道次挤压。 加工路径对材料的晶粒细化效率有很大影响，基于三个基本路径，一般发现 面心立方( f c c ) 金属晶粒细化的最优路径与模角有关：= 9 0 0 模具为路径b ，m = 1 2 0 。模具为路径1 ，3 2 ，3 3 ，3 6 1 。华南理工大学李豪1 3 7 在扩大的加工路径范围内， 详细研究了= 9 0 0 模具和= 1 2 0 0 模具加工路径对纯铜微观组织和力学性能的 影响，探讨了e c a e 过程中路径与晶粒细化效率的关系。作者以r 0 表示某一具 体加工路径( 如r 9 0 表示试样在下一道次挤压前绕其长轴沿同一方向转到了9 0 0 ， 即路径b c ) ，对西= 9 0 0 模具，分别沿r o ( 路径a ) 、r 9 0 ( 路径) 、r 1 0 5 、r 1 2 0 和r 1 8 0 ( 路径c ) 共5 个路径对纯铜进行8 道次e c a e 加工，发现沿r 9 0 纯铜等 图卜6e c a e 加工路径示意图p 5 】 轴晶的特征最明显，强度和延伸率较高，而沿r 0 、r 1 8 0 纯铜带状组织较多，强 度和延伸率较低。对= 1 2 0 0 模具，分别沿r 0 ( 路径a ) 、r 7 5 、r 9 0 ( 路径) 和r 1 8 0 ( 路径c ) 共4 个路径对纯铜进行8 道次e c a e 加工，发现沿r 7 5 纯铜等 轴晶的特征最明显，强度和延伸率较高，而沿r 0 、r 1 8 0 纯铜带状组织较多，强 6 度和延伸率较低。李豪的研究结果表明，晶粒细化效率最高的路径随模角的改变 而变化，对m = 9 0 0 模具，r 9 0 对晶粒的细化效率最高；对= 1 2 0 0 模具，r 7 5 对晶粒的细化效率最高。= 1 2 0 。模具晶粒细化最优路径与文献【3 2 ，3 5 1 0 0 的研究 结果不同。 到目前为止，研究者提出了多种理论来解释不同路径对晶粒细化效率的影 响。这些理论大致可分为三类：第一类是通过各路径剪应变的差异来解释【3 2 】， 第二类是基于剪应变平面夹角及材料晶体结构的关系来解释【3 引，第三类是利用 晶体塑性理论来模拟不同路径滑移系的开动来解释【3 6 1 。 ( 1 ) 剪应变 g h o l i n i a 等1 3 2 1 认为，尽管挤压过程中各路径的等效应变相同，但会使单元 体产生非常不一样的扭转( 图卜7 ) ，从而使剪应变( s h e a rs t r a i l l ) 随道次增加而不 样，路径彳的剪切应变持续增大，而路径c 和路径分别每隔两道次和四道 次的剪切应变等于零( 见表1 1 ) ，故路径彳的细化效果最好，路径次之，路 径c 最低。他们通过观察a 1 3 m g 0 2 z r - 0 2 f e 合金经西= 1 2 0 0 模具e c a e 加工后的微观组织证实了这一结论。该理论虽然能很好地解释m = 1 2 0 0 模具时的 实验结果，但与= 9 0 0 模具细化最优路径为路径b 相矛盾。 ( i ) i i 斜幽 _ - 、司卜、 咿 咿孓 矽。 善a 掣 9 a = 罩 曳她 图卜7 沿各路径单元体的剪切变形示意图【3 2 j ： ( a ) 路径彳；( b ) 路径b c ；( c ) 路径c 表卜1 试样沿不同路径经过前4 道次e c a e 加工后的剪应变3 2 】 道次路径彳路径路径c 1 秽巧q 2 2 碍q 七l ，z 0 33s 秽 s l j 2s w 44气0 0- - _ o _ _ l _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一f _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - - - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ i 7 ( 2 ) 剪切面夹角变化 z h u 和l o w e 3 8 】认为e c a e 过程中晶粒细化跟剪应变平面及材料的晶体结构 有关。对于= 9 0 0 模具，路径彳、b c 和c 相邻道次剪应变平面夹角伍分别为9 0 0 、 6 0 0 和0 0 ；西= 1 2 0 0 模具，路径4 、和c 相邻道次剪应变平面夹角q 分别为6 0 0 、 4 l o 和0 0 ( 图1 - 8 ) 。发现西= 9 0 0 模具的路径及m = 1 2 0 0 模具的路径彳拥有相 同的a 值( 即6 0 0 ) ，而触及其合金的e c a e 实验报道表明，= 9 0 0 模具的路径 及0 = 1 2 0 0 模具的路径彳细化效率最高。因此，他们认为有一种可能就是6 0 0 是一个特殊的a 值，此时f c c 的舢晶粒细化效果最好。舢是f c c 材料，其塑 性变形机制主要为滑移，滑移系为 11 1 ) ，共1 2 个，四个 111 ) 滑移面 构成一个四面体，任两个面之间的夹角为7 0 5 0 ，故相邻道次挤压剪应变平面之 间的夹角越接近7 0 5 0 ，越有利于滑移，晶粒细化效果越好。他们的理论能解释 = 9 0 0 及12 0 0 的关于最优路径实验结果。 图1 - 8 各e c a e 路径的剪应变平面【3 8 】： ( a ) 西= 9 0 0 ：( b ) 西= 1 2 0 0 ( 3 ) 滑移行为 近年来，l i l 3 6 基于晶体塑性理论，对= 9 0 。及1 2 0 。模具不同路径的e c a e 变形进行了模拟，分析了晶粒的滑移行为的变化情况，认为：e c