（材料加工工程专业论文）45钢ecap变形及组织细化研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 4 5 钢e c a p 变形及组织细化研究 专业：材料加工工程 硕士生：冯广海 导师：王经涛教授 杜忠泽副教授 摘要 与传统的细晶材料和粗晶材料相比具有亚微米尺度的超细晶( u f g ) 材料具有 优良的机械性能。在目前通过强烈塑性变形制备超细晶材料的几种方法中，e c a p 变形法已经证明是制各无残余孔隙块状超细晶材料的有效方法。e c a p 变形是使试 样通过横截面相等并成一定交角的两通道的模具中而产生强烈的塑性变形的一种 变形方法。最近人们运用e c a p 变形方法成功地使低碳钢及珠光体钢组织超细化， 关于这方面的研究已引起了人们的广泛关注。 本研究成功地实现了5 0 0 。c 时4 5 钢的c 方式e c a p 变形，等效真应变达4 。 并运用光学显微镜( o m ) 、透射电子显微镜( 1 e m ) 及维氏显微硬度仪研究了e c a p 变形后4 5 钢中先共析铁素体及珠光体组织的演变特征。主要结果如下：( 1 ) e c a p 变形四道次后，片层状的珠光体组织演变为了超细的渗碳体颗粒均匀分布于亚微晶 铁素体基体的组织。而先共析铁素体由原始的平均晶粒尺寸约为3 0 “m 演变为大角 度晶界分离的、平均晶粒尺寸约为0 - 3 岬的超细晶组织；( 2 ) 本实验e c a p 变形中， 先共析铁素体晶粒细化机制为：首先在其内部会形成具有薄片层界面( l b s ) 的板 条位错胞甚至亚晶组织；进一步变形时位错胞或亚晶可继续细化；再进一步变形时 通过晶界滑移和晶粒旋转的方式可以获得具有大角度晶界分离的、等轴的超细晶组 织；( 3 ) 本实验剪切变形条件下渗碳体具有很强的塑性变形能力；( 4 ) 珠光体领域 中的渗碳体以哪种变形方式来协调强烈塑性变形是取决于渗碳体相在变形时所处 的应力状态。而渗碳体的应力状态主要是与渗碳体的片层厚度和取向密切相关的， 其中渗碳体的厚度起决定性作用；( 5 ) 本实验变形条件下，渗碳体出现了部分溶解 的现象，这是由于强烈塑性变形而在渗碳体中引入大量的缺陷导致其处于高能不稳 定状态从而促使了渗碳体溶解。 关键词：强烈塑性变形；等径弯曲通道变形；超细晶；钢；显微组织 西安建筑科技大学硕士论文 d e v e l o p m e n t o fd e f o r m a t i o ns t r u c t u r e si nm e d i u mc a r b o n s t e e l ( 0 4 5w t c ) b ye q u a l c h a n n e l a n g u l a rp r o c e s s i n g s p e c i a l t y ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n g p r e s e n t e d b y ：f a n go u a n g h a l d i r e c t e d b y ：w a n gj i n g t a o d u z h o n g z e a b s tr a c t u l t r a f i n e g r a i n e d ( u f g ) m a t e r i a l sw i t hs u b m i c r o m e t e r - o r d e rg r a ms i z ee x h i b i t e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lf i n e g r a i n e dm a t e r i a l sa s w e l la sc o a r s e - g r a i n e dm a t e r i a l s 。s e v e r a lm e t h o d sh a v eb e e ad e v e l o p e dt oo b t a h xu f g m a t e r i a l st h r o u g hs e v e r e p l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) a m o n gt h e m ，t h ee 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 ( e c a p ) t e c h n i q u eh a sb e e np r o v e d t ob ea ne f f e c t i v em e t h o df o rt h e f a b r i c a t i o no f v a r i o u sb u l ku f gm a t e r i a l sw i t h o u tr e s i d u a lp o r o s i t y i np e r f o r m i n ge c a p ， am a t e r i a li ss u b j e c t e dt oi n t e n s ep l a s t i cs l r a i n i n gb y p r e s s i n gas a m p l er e p e a t e d l yt h r o u g h ad i ec o n t a i n i n gt w oc h a n n e l s ，w i t he q u a lc r o s s - s e c t i o n s ，i n t e r s e c t i n ga ta na n g l e f 坷u a l c h a n n e la n g u l a r p r o c e s s i n go f t h em e d i u n a c a r b o n s t e e l ( o 4 5w t c ) w a ss u c c e s s f u l l y c a r r i e do u ta t5 0 0 。cw i t hr o u t eci nw h i c ht h es a m p l ei sr o t a t e d 1 8 0 。a l o n gi t s l o n g i t u d i n a l a x i s i nt h i s s t u d y , o b t a i n i n g at o t a l e q u i v a l e n t t r u es t l a i n - - 4 t h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no ff e r r i t ea n dp e a r l i t ei ne c a pw a si n v e s t i g a t e db ym e a n so f o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) t h em a i n r e s u l t sa r ea st h ef o l l o w i n g ：( 1 ) t h em i c m s t m c t u r eo fl a m e l l a ep e a r f i t eh a se v o l v e d u l t r a f i n ec e m e n t i t e p a r t i c l e st h r o u g h o u t t h ef e r r i t em a t r i x u n i f o r m l ya f t e rf o u rp a s s e s t h e f e r r i t e m a t r i x i s h o m o g e n e o u s g r a i n s a n d a v e r a g e g r a ms i z e i s 加3 b m ( 2 ) a t t h e i n i t i a l s t a g eo fp r o c e s s i n g ，d i s l o c a t i o nc e l l sa n de v e l ls u b g r a i n sw i t hl a m e l l a rb o u n d a r i e sa l e d e v e l o p e d i nf e r r i t eg r a i n so nt h ep r e s e n td e f o r m a t i o n w i t hf l l r t h e rd e f o r m a t i o n , t h es i z e o fd i s l o c a t i o n sa n ds u b g r a i n sd e c r e a s e a tt h el a r g e rs t a i n ，e q u i a x e du l t r a f i n e df e r r i t e g r a i n sw i t hh i 曲一a n g l eb o u n d a r i e s a r ea c h i e v e d b y 掣i a n ss l i d i n ga n d r o t a t i o n ( 3 ) h a r d c e m e n t i t ei nt h ep r e s e n ts t e e lh a sac o n s i d e r a b l ea b i l i t yo f p l a s t i cd e f o r m a t i o nu n d e rt h e i l 西安建筑科技大学硕士论文 p r e s e n ts h e a rd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ( 4 ) w h i c hd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fc e m e n t i t e l a m e l l a ei np e a r l i t ec o l o n i e si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es t r e s ss t a t eo fc e m e n t i t ew h i c h s i g n i f i c a n t l yd e p e n d so nc e m e n t i t et h i c k n e s sa n do r i e n t a t i o n , e s p e c i a l l yo nc e m e n t i t e t h i c k n e s s ( 5 ) t h el a r n e u a rc e m e n t i t eu n d e r g o e sp a r t i a ld i s s o l u t i o no nt h ep r e s e n t d e f o r m a t i o n t h et h e r m o d y n a m i c a ld e s t a b i l i t yo fc e m e n t i t ei sa t t r i b u t e dt oal a r g e n u m b e ro fd e f e c ti nc e m e n t i t ei n t r o d u c e db ys e v e r e p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，p r o v i d i n g e v i d e n c ef o rc e m e n t i t ed i s s o l u t i o n k e y w o r d s ：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 ) ；e q l l a lc h a n n e la n g u l a rp r o c e s s i n g ( e c a p ) u l t r a f i n eg r a i n s ；s t e e l ；m i c r o s t r u e t u r e i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：坞厂竭日期：d 畔j ? 毋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名玛7 _ 冷导师签名： 注：请将此页附在论文首页。 e t 期：。，i ，占 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 前言 1 文献研究 材料是人类进化史的里程碑，现在文明的重要支柱，发展高技术的基础和先导。 随着科学技术的进步，人类生活水平的提高，2 1 世纪对材料技术提出了更高的要 求：特别是由于世界人口的迅猛增加，资源的加速枯竭，生态的不断恶化，对材料 生产技术的开发与有效利用提出更高的要求【i j 。因此，近几十年来，具有传统材料 所不具备的各种超高强度和特殊物理功能的新型材料相继出现并在迅猛发展。 从材料研究发展的特点和金属材料研究发展的动向可以看出1 2 1 ：( 1 ) 新型材料主 要是为满足航天和高新技术的特殊需要而研究发展的。由于一些高性能新型材的原 材料昂贵，制造技术复杂，生产成本高，尚不能普遍推广应用。作为基础材料的金 属材料，特别是钢铁材料，由于其具有价格低廉、环境友好、回收便利、资源丰富、 性能可靠、易于加工并已形成大规模生产能力等特点，与其他基础材料相比，特别 是作为基础结构材料，有很强的竞争力，在2 1 世纪仍有占据主导地位的优势；( 2 ) 为适应工程结构、运输车辆以及各种技术装备制造中减轻质量、节约能源和原材料 的使用要求，钢铁材料必须以提高其性能特别是强韧性水平为目的而进一步发展提 高，这就决定了研究和开发“强度翻番，寿命翻番”的新一代钢铁材料具有巨大的 社会效益和经济效益。 为此世界各国正深入的研究和开发应用新一代钢铁材料，如日本于1 9 9 7 年启 动了“s t x 2 1 超级钢铁材料”大型科研项目。目标是通过新变形方式，把金属组 织控制在超细晶粒的界观尺度( 1 0 - 3 1 0 - 6 m m ，m e s o s c o p i c ) ，计划在五年内形成“铁 基材料界观领域显微组织的控制制造技术”口1 。韩国1 9 9 8 年也启动了“2 1 世纪高 性能结构钢”( h i g h p e r f o r m a n c es t r u c t u r a ls t e e lf o r2 1 s tc e n t u r y ) 的国家项目，目标 类似于f 1 本项目。在日本、韩国启动超级钢项目前，1 9 9 7 年我国启动了“新一代 微合金高强高韧钢的基础研究”国家攀登项目( 1 9 9 7 - - 2 0 0 0 ) ，在1 9 9 8 年国家启动 “9 7 3 ”重大基础研究项目时，将该项目并于“新一代钢铁材料的重大基础研究”， 并被列为“9 7 3 ”第一批启动的1 0 个项目之一。欧盟也于2 0 0 1 年启动了“超级钢” 项目。由此可见，新一代钢铁材料的深入研究和开发应用正成为2 1 世纪钢铁材料 的首要任务。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 “组织细化理论”是开发新一代钢铁材料的核心技术 “强度翻番，寿命翻番”的新一代钢铁材料具有以下3 个主要特征“3 ： ( 1 ) 超细晶。钢只有获得超细晶组织才能在“强度翻番”后具有良好的强韧 性配合。铁素体一珠光体钢最终使用状态的晶粒度应该从传统的几十微米( 八级晶 粒度约为2 0 u m ) 细化到几个微米甚至更细。贝氏体一马氏体的板条束宽度细化到 几个微米，甚至更细。 ( 2 ) 高洁净度。洁净度是指钢材内部杂质含量和夹杂物形态能满足使用要求， 也称为“经济洁净度”。由于钢的强度翻番，材料在使用时承受了更高的应力，使 裂纹形成和扩展的敏感性增加。按照断裂力学的基本概念，在相同条件下，受力愈 大，要求l 缶界裂纹尺寸( 以夹杂物大小作为内在不可避免的裂纹) 愈小。故此新一 代钢铁材料应具有更高的洁净度。 ( 3 ) 高均匀性。钢液凝固过程中，由于传热规律造成顺序凝固。无论模铸还 是连铸都带来低熔点元素的宏观偏析。随后的高温加热及大变形量轧制，都难以消 除偏析。现代冶金的发展趋势是流程愈来愈紧凑，过程愈来愈快，材料组织向非平 衡发展。为改善钢的均匀性，在凝固过程中应尽可能的减少柱状晶，争取获得全等 轴晶的钢坯，在夹杂总量不变的情况下，提高均匀性相当于提高洁净度。 新一代钢铁材料除上述3 个特征外，从经济和生产应用考虑，还应满足以下3 个条件： ( 1 ) 高性能价格比。强度翻番，价格不能翻番。必须有更好的性能价格比， 以保证市场的竞争力。 ( 2 ) 强韧性良好配合。不能以牺牲韧性来提高强度。必须有足够的韧性储备 特别是低温韧性，以保证安全。 ( 3 ) 符合可持续发展方针。应尽量降低能源、资源消耗，以便保证塑性、韧 性和焊接性。工艺过程不能污染环境。 组织细化理论是研究新一代钢铁材料的核心。化学冶金、凝固、电磁冶金、焊 接及性能预报等相关学科要保证材料组织细化的稳定实现。提高强韧性要充分认识 和运用品体缺陷的作用。利用钢铁材料中的点缺陷( 空位和间隙原子) 产生固溶强 化；利用线缺陷( 位错) 产生位错强化；利用面缺陷( 晶界) 对位错运动的阻碍产 生的晶界强化：利用体缺陷( 例如第二相m ( c 。n ) 的析出相) 产生析出强化。 目前作为钢铁结构材料主体的低碳钢和低合金钢( 包括微合金钢) 的屈服强度 水平，应用最多的是o 。= 2 0 0 4 0 0 m p a 。它们的强化方式及效果可用图1 一l 示意 2 西安建筑科技大学硕士论文 描述。从图中可以看出各种强化方式对提高强度的贡献不同。对热轧材基体强度是 一基本值，固溶、位错、析出三种强化方式对提到强度都有一定的贡献但只有细 晶强化，随着超细晶晶粒或超细晶组织的形成，才可以把屈服强度大幅度的提高。 同时细晶强化不仅能提大幅度的提高材料的强度，而且还能提高韧性或保持韧性和 塑性基本不下降。而其它强化手段，不能兼顾强度与韧性的提高，往往是强度提高 了，但韧性却显著的下降了。此外，晶粒的超细化还可能使材料获得高应变速率超 塑性或低温超塑性。这是因为超细晶材料的晶粒极细，组织中大量原子处于晶粒之 间的亚稳态晶界上或亚结构中小角度晶界上。在传统材料中，晶界所占的比例很小， 以致于它对材料的整体性能的贡献可以忽略不计；而在超细晶材料中，晶界所占的 比例极大，晶界对材料整体性能有着重要的影响，甚至起决定性作用。在2 0 世纪 5 0 年代h a l l p e t c h 提出盯。= c r 0 + 材。1 “的晶粒尺寸和屈服强度关系以后，p e r c h 又 进一步发现冷脆转变温度t c 与晶粒尺寸d 有t c = a b l n d _ 忱关系，说明细晶钢能 改善并提高钢材抗低温脆断能力，从而大大提高其使用寿命。 图1 1 各种强化效果示意图 1 3 组织细化技术进展陆空 由于细晶材料表现出一系列不寻常的物理、化学和力学性能：如高强度、高硬 度、高扩散系数、低温超塑性、高阻尼性、低居里温度网。因而材料组织细化甚至 超细化是目前新型高性能材料发展的共同趋势。 目前组织细化新工艺主要有控轧控冷及形变诱导变铁素体相变技术。 西安建筑科技大学硕士论文 图l 一2 形变诱导铁素体相变与传统t m c p 的关系 现行的控轧控冷( t h e r m om e c h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s i n g ，t m c p ) 工艺是将 含铌、钛等微量元素的低碳钢，在高温奥氏体再结晶区逐级变形，反复再结晶细化 奥氏体晶粒，随后控制冷却导致晶粒细化；或者在奥氏体未再结晶区。获得热变形 奥氏体，增加晶内形变带等相变形核的部位，再结合轧后控冷和快冷，促进铁素体 晶粒细化，可将铁素体晶粒细化到1 0 p r o 。 由于普碳钢极易发生动态和静态再结晶，不易实现控轧控冷。为了细化普碳钢 的晶粒尺寸，各国材料科学家为此作了各种尝试工作。1 9 8 1 年，r p r i e s t n e r 报道了 低碳钢轧制时轧缝中( r o l lg a p ) 发生的，斗口相变，并称之为应变诱导铁素体相变 ( s t r a i n i n d u c e dt r a n s f o r m a t i o nt of e r r i t e ) 哺1 ；y a d a 等人在实验室模拟轧机上通过 1 0 7 3 k 多道次变形将普通c m n 钢的铁素体晶粒细化到1 3 岫，晶粒细化的原因 被认为是形变诱导相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ，d i t ) 和铁素体动态 再结晶综合作用的结果”1 。此后澳大利亚的h o d g o s o n 等、韩国的l e e 等、w y c h o o 等相继报道了类似的现象，并分别称其为应变诱导相变( s t r a i ni n d u c e d t r a n s f o r m a t i o n ，s i t ) 和应变诱导动态相变( s t r a i ni n d u c e dd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o n ， s i d t ) 。我国的材料工作者接受了y a d a 等人的应变诱导相变的观念，并采取该工 艺在实验室模拟轧机上成功地将碳素钢和低碳微合金钢的铁素体晶粒尺寸细化到 3 p m 和1 岫，屈服强度分别提高到4 0 0 m p a 和8 0 0 m p a 以上隅1 。并考虑到引起相变 的本质是形变导致自由能升高和形核地点增加，因而除了应变之外，影响形变累计 自由能的各个因素( 如化学成分、凝固后的原始状态、应变速率、连轧机架间的道 次冷却和停留时间、轧后冷却、变形方式等) 均会影响相变过程，这是一个多变量 4 西安建筑科技大学硕士论文 多因素的耦合过程。因此将这种工艺称为形变诱导铁素体相变( d e f o r m a t i o n i n d u c e d f e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，d i f t ) 。 由此可见，形变诱导铁索体相变明显不同于传统的控制轧制工艺。如图1 2 所示，在传统的控制轧制( 再结晶控轧和未再结晶控轧) 中，形变的作用是促进奥 氏体的形状发生改变，使其发生再结晶或形成扁平状奥氏体，并在奥氏体内部引入 形变带等缺陷，从而为铁素体形核提供了更多的形核位置。而y _ a 相变是发生在 形变之后的冷却过程中。在这种情况下，形变与相变是分离的，它们分别发生在不 同的温度和时间阶段。而对于形变铁素体相变而言，相变是发生于奥氏体末再结晶 区的较低温度范围，并且是发生在形变过程中，两者几乎同步进行。 虽然采用形变诱导铁素体相变工艺可将钢中的铁素体晶粒细化到1 0 t x m 以下， 但要迸一步细化钢的组织达到超细晶( 晶粒尺寸小于i b m ) 目标，需要研究新的理 论，开发新的技术。为获取超细晶材料，最近开发的新工艺有：粉末法、快速凝固 法咀及强烈塑性变形法等。 粉末法 9 1 是一种制造粉末和利用金属粉末与烧结来制造金属材料和制品的技 术。在粉末法中，人们用物理和化学沉积法制取纳米超微粉，然后用粉末冶金工艺 与固化烧结的复杂工艺来研制各种具有纳米级超细组织的高性能材料。 快速凝固、法【”j 是提高熔体凝固时的凝固速度，使凝固过程中的金属或合金急剧 过冷，极大程度地偏离平衡状态，它可以有效地控制材料成分及显微组织，改善金 属及合金的综合性能。 近年来的研究表明强烈塑性变形( 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 ) 是制备超 细晶材料最为有效方法。这是由于粉末法在制备超纳米超微粉时粉末易污染，同时 在随后的固化烧结时固化密度偏低导致存在着大量残余孔隙，从而影响了材料的性 能。快速凝固法由于对冷却速度和散热条件的极高要求，导致工艺过程复杂和成本 较高，只能制备微粉及超薄带材料。而强烈塑性变形法能制备无残余孔隙和污染的 超细晶材料。目前强烈塑性变形法所采用的变形工艺有：如等径弯曲通道变形法 ( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，e c a p ) 、强烈扭转变形法( s e v e r et o r s i o n a l s t r a i n i n g ，s t s ) 、叠轧薄板法( a c c u m u l a t i v er o l lb o n g d i n g ，a r b ) 等。其中e c a p 变形方法是一种使材料反复通过具有相同横截面并成一定交角的摸具中而产生强 烈的剪切变形的加工方法。在目前通过强烈塑性变形制备超细晶材料的几种方法 中，e c a p 变形法具有其它方法无法比拟的优点：( a ) e c a p 变形法与a r b 法相比， 它能在单道次引入更大的应变量；( b ) e c a p 变形法与s t s 法相比，它能制备更大的 块状超细晶材料。 西安建筑科技大学硕士论文 1 4e c a p 变形与组织性能控制 1 4 1e c a p 变形及其原理 8 0 年代初期s e g a l ”】等人在研究钢的变形织构和微观组织结构时，为了获得纯 剪切应变而提出了等径弯曲通道变形( e c a p ) 法。并利用该方法加工时不改变材 料横截面形状的特点，进行重复加工从而获得了特殊的变形织构。进入9 0 年代后， rzv a l i e v l l 2 , 1 3 发现利用该方法可以使变形在一套模具内循环进行，从而使应变逐渐 累积起来，最后使材料获得大应变从而达到制备超细晶材料的目的，因而进一步完 善了该工艺方法，并利用该方法加工铝、铜及其合金，获得了一定的晶粒细化效果； 随后e c a p 变形方法被世界各国材料科学工作者所接受，并成功地制备了无残余孔 隙和污染的块状超细晶材料，如：纯铁，纯镍，铝合金及其复合材料，铜，镁合金， 低碳钢，钛合金，z n 2 2 a 1 合金等。而且该法已经用于生产加工航天工业和汽车 工业上应用的高强度钛合金螺纹件睢”。 e c a p 变形法是利用加工过程中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶来 控制材料微观组织的形成和发展，从而达到细化晶粒提高材料性能的目的。e c a p 变形是以相对低的压力和加载实现大的塑性变形，其变形特点如下【1 5 】： ( 1 )纯剪切变形，实际上接近于纯剪切变形： ( 2 ) 能实现强烈塑性变形； ( 3 ) 变形均匀，通过变形区的试样表现出几乎完全均匀的宏观 变形； ( 4 ) 变形区无穷小，实际上也至少是一个极小的区域： ( 5 ) 应变速率无穷大，实际上也达到相当大的水平： ( 6 ) 通过多道次变形，实际的等效真应变可以达到很高水平； ( 7 ) 通过控制道次间试样的旋转角度，可以严格控制三维变形 的方向。 e c a p 变形的原理可用图1 - - 3 t 1 6 】示意说明。将试样放入横截面形状完全相同、 并成一定角度的弯曲通道中，试样在压力作用下通过通道时，在通道弯曲处产生一 定量均匀的纯剪切变形，试样所受的剪切应变如图l - - 4 t l 所示。实验表明：为了 避免试样离开模子通道时发生弹性膨胀，可使出口通道比入口通道稍小一些，但尺 寸比例以不超过1 0 3 为宜。试样通过e c a p 模子时所产生的应变，取决于两通道 在模具内交叉的内切角巾、外切角y 。在试样与模壁完全润滑的条件下，n 道次变 6 西安建筑科技大学硕士论文 形后试样所得的变形量是模具的特征参数，仅与中和y 有关，其关系式可用方程( 1 ) i s 】来表达： 铲若 2 c o t ( 善+ 等) 郴呲c 芝+ 詈) 其中n 为变形道次， 氏是n 道次变形后试样所得的变形量。采用模型实验【1 卿及 图1 - - 3e c a p 变形示意图图1 - - 4e c a p 变形中纯剪切示意图 二维有限元分析啪3 都证实了上述公式的合理性。通过计算可知e c a p 变形使材料 在加工过程中获得了极大的变形量，达到了破碎晶粒，增加储能的目的。更重要的 是在加工过程中材料外形尺寸不发生改变，因而可使同一试样进行多道次变形，最 终获得很高的变形量。 众所周知，塑性加工是改善材料组织和性能最有效的方法之一。在有些情况下， 改变材料的形状是不必要的，甚至是不利的，而主要目的是改善组织，提高材料的 性能。在高性能材料发展中，以改善组织和性能为目的的塑性加工愈显重要。为保 证塑性变形对材料性能的最佳影响，所用加工方法必须保证应力、应变的均匀性， 能够精确控制变形量和应力状态，特别是要能实现足够强烈的塑性变形。常规压力 加工方法( 如锻造、轧制、挤压、拉拔等) 不能很好满足上述要求，而e c 甜p 变形 则可以。e c a p 变形是均匀的纯剪切变形，由图l 一4 可以看出在两通道的交接处 发生纯剪切变形，且变形区近似一条直线。故e c a p 变形是利用纯剪切原理进行压 力加工的一种独特方法，材料的变形接近“理想均匀剪切变形”。 7 西安建筑科技大学硕士论文 f 1 本m n e m o t o 教授【2 i j 用图示法形象地说明了e c a p 变形的真应变与轧制变形 量的对比关系如图l 一5 所示。从图中可以看出，将厚1 0 0 毫米的材料轧制至l 毫 米时真应变为4 ，相当于压下率达到9 9 ，这种轧制变形的轧制变形量是相当 大的。这样大的轧制变形量对于轧制变形是很难实现的。而采用中= 9 0 。的模具 e c a p 变形4 道次时真应变为4 ，相当于压下率为9 9 。因此，e c a p 变形经过 多次反复对同一试样变形后，试样会产生强烈的塑性变形。 乱稍 - - - - - - - - - 4 囫必囫 图1 5 真应变4 时轧制与e c a p 变形对比关系 1 4 2e c a p 变形的变形方式及通道夹角对晶粒细化的影响 如图1 6 所示，根据相邻挤压道次间试样相对于模具的轴向旋转方向和角度 的区别，e c a p 变形的变形方式主要有四种【2 2 捌。 方式a ：试样每道次通过模子的方位不改变。 方式b e ：试样每道次通过模子后绕轴向依次顺时针旋转9 0 。 方式b a ：试样每道次通过模子后绕轴向顺时针旋转9 0 。和逆时针旋转9 0 。交 替进行。 方式c ：试样每道次通过模子后绕轴向依次旋转1 8 0 。 v m s e g a l 认为，同一坯料装料方式不同，经过多道次变形后材料会产生不同 的组织结构。1 w a h a s h 3 等人在模具内切角中= 9 0 。时对纯铝研究了不同变形方 式( a 、b c 、c ) 对晶粒细化效果及显微组织演化的影响，认为b c 方式比a 、c 方式具有更快的晶粒细化效果；o h - i s h i 阱3 等人则对b a 、b c 方式进行了比较实验， 认为b c 比b a 更为有效；l o n g d o n 巴们等人认为各变形方式的晶粒细化效果为b c 西安建筑科技大学硕士论文 c a 或b a 。而o h o l i n i a 等人研究了4 道次变形时各变形方式对于 a i 一3 m g 0 2 z r - 0 2 f e 合金的晶粒细化效果的影响，认为a b c b a c 。对于不同 变形方式对粒细化效果的研究目前还没有深入和全面的认识，但普遍认为在中= 9 0 。时变形方式b c 具有迅速显著的晶粒细化效果。这是由于以变形方式b c 、c 分别变形4 n 、2 n ( n 为整数) 道次单元立方体可恢复原状，而以变形方式b a 、a 变形时则不断的加剧畸变；b c 方式比c 方式更有效的原因是由于c 方式没有使z 面得到变形( 单元立方体x 、y 、z 面的位相及变形过程中的变形分别如图2 2 ， 图1 7 所示) 。1 w a h a s h ie 2 4 等人研究了各变形方式变形时相邻道次剪切面的位向 变化情况，认为由于亚晶带在相交截的剪切面上的各自发展促进了大角度晶界的 迅速形成和晶粒的细化。由于这些说法不能解释模具内切角中= 1 2 0 。a 方式变形 时对晶粒细化的有利影响，g h o l i n i a 阻”等人指出，以c 、b c 、b a 方式变形时剪切 应力有逆向变化因而产生部分可逆变形，从而使位错由于反应而湮灭，位错密度 降低，但这种解释也不全面。作者认为在研究变形方式对晶粒细化作用的影响时 还应充分地认识到剪切面、晶体结构和变形织构间的相互作用，因此对于变形方 式对晶粒细化的影响还有待于更深入的研究。 图1 - - 6e c a p 变形四种典型的装料方式 研究表明，不仅变形方式对e c a p 变形后材料的组织性能有重要影响，而且 模具的形状尤其是内切角中对e c a p 变形后材料的组织性能同样有着重要的影 响。用内切角中从9 0 。到1 5 7 5 0 的模具所做实验的结果表明：只有使用内切角接近 于9 0 0 的模具并通过多道次变形，才能获得大角度晶界分离的、基本上是等轴的 超细晶组织。而使用较大。角的模具变形时，即使通过多道次变形，也不能产生 超细晶组织。如果内切角中= 9 0 0 ，在连续变形的各道次间试样旋转9 0 0 ，则在试 样内部会产生两个互成1 2 0 0 夹角的剪切方向，这种变形方式对晶粒带沿两个不同 的交叉平面形成和发展是有利的。如果中角增加，则两个互成1 2 0 0 交角的平面不 存在，这就对等轴的超细晶组织的形成产生不利影响。由此可见，超细晶组织的 9 西安建筑科技大学硕士论文 形成不是依靠小应变而累积的大应变，而是通过一系列的强烈应变来实现的口耵。 t 口口 口 一一一一 一一 l c ，- - z口口口口口0口口口 t 口口扩吣 、 l n z p 口一d m 一 z口口毫、，。 口。矿d口 脚扩d口 l = ，口口乒7 口口 口口口口二，矿口 t口。口口口 口口口口 c l 口口z 矿口多7 门口 2 口口口口口 口口口口 图1 7 采_ h j 不同的变形方式对材料各个面组织形状的影响 1 4 3 e c a p 变形制备的超细晶材料的显微组织特征及其机械性能 利用e c a p 变形方法制备的超细晶材料具有大量的晶界面积，而且晶界结构很 不完整，包括高密度的晶体缺陷，表现为非平衡晶界的结构特征。如通过透射电镜 可观察到e c a p 变形制备的a 1 - 4 c u - 0 5 z r 等轴晶组织的扩展厚度消失形貌，而该形 貌在退火后消失；i s l a m g a l i e v 旺粥等认为这种扩展与晶界处存在着大量的弹性应变 和晶体点阵的扭曲有关，且测定了e c a p 纯c u 晶界附近的弹性应变，结果表明， 这种弹性应变的分布很不均匀，它随着与晶界距离的增大而下降，到距晶界2 0 r i m 处基本不存在，丽在晶界处有最大值，e c a p 纯c u 晶界附近弹性应变的最大值为 3 3x 1 0 一。另外，e c a p 纯c u 的点阵常数测量值为3 6 1 4 8 + 0 0 0 5 a 。比粗晶c u 的点阵常数3 6 1 4 8 o 0 0 3 a 减少了0 0 4 ，这表明晶粒发生了严重的晶格畸变 2 9 1 。 利用各种手段对e c a p 变形过程中材料显微组织的演化进行研究，结果发现在 一道次变形后