（材料学专业论文）大变形异步arb制备超细晶铜工艺及其组织演变研究.pdf

摘要 晶粒细化是提高材料强度的一种有效方法，研究表明当晶粒细化到l “m 后， 材料将表现出一系列不寻常的物理、化学和力学性能。制备超细晶材料的工艺 方法众多，大塑性变形法由于具有能够制备出大块、致密材料且工艺简单、成 本低廉等诸多优点而日益引起人们的重视。叠轧技术是细化常规晶粒尺j j 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，以异步叠轧为加 工方式的大塑性变形法是一种能够强烈的细化晶粒，优于常规叠轧，且能大大 提高产品精度的轧制方法。 本文对超细晶、大塑性变形技术、异步轧制日前国内外研究进行了详细的 介绍；对异步叠轧方法制备超细晶铜工艺傲了较为细致的研究：解决界面复合 问题；在压下率、异步比、轧制速度等轧机控制参数固定条件下，探讨r 均匀化 退火工艺、去应力退火工艺蓐l 轧制方式对晃步叠轧材料力学性能的影响，并进 行了分析，制定出符合实验要求的轧制工艺。研究表明：在异步比为1 0 8 ，轧 制速度为i o o r m i n ，每道次盆j 下量5 0 的轧枫控制参数下，异步叠轧制备超细 晶铜工艺为：6 0 0 保温6 0 分钟均匀化退火工艺下，每轧制两道次进行一次去 应力退火，去应力退火温度【3 0 ，保温3 0 分钟。 尝试不同再结晶退火制度，分析了在不同再结晶退火制度下组织演变的规 律，确定了在不同的变形量下，既可消除加工硬化，又生成均匀细小品粒的去 应力退火制度。在制得超细晶锕涛况下，初步分析了事孝料的力学性麓的改变。 研究表明：异步叠轧是一种有效的制备超细晶方法，在真应变3 1 3 9 范 围通过不同的再结晶退火制度可以制备尺寸2 0 0 5 0 0 h m 的超细晶，与6 0 0 。c 保 温时间6 0 分钟未轧制的铜比较，最高抗拉强度提高l ，2 4 倍；最高屈服强度提 高6 6 5 倍，明显提高了材料的力学性能。 而品粒最终细化程度取决于轧前晶粒的尺寸、轧制变形量和再结晶退火工艺。 关键词：超细晶：大塑性变形：叠轧：异步叠轧：再结晶：退火 a b s t r a c t g r a i nr e f i n e m e n ti sak i n do fe f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v ei n t e n s i t yo fm a t e r i a l s s t u d i e s h a v es h o w nt h a tm a t e r i a l sw i l ld e m o n s t r a t eas e r i e so fu n u s u a lp h y s i c a l ，c h e m i c a la n d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew h e nc r y s t a l l i n eg r a i ns i z ei sr e d u c e dt ol p m m e t h o d st op r e p a r e u l t r a - f i n e g r a i n e dm a t e r i a l sa r en u m e r o u s ，o fw h i c hs e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o ng e t sm o r ea n d m o r ef o c u sb e c a u s eo fi t sm e r i t so fp r e p a r i n gd e n s eb u l km a t e r i a lw i t hs i m p l ec r a f ta n dl i t t l ec o s t a r bi so n eo ft e c h n o l o g i e sw i t hp r o s p e c to fi n d u s t r i a l i z a t i o nt h a tc a nr e d u c eg r a i ns i z ef r o m n o r m a lg r a d et os u b m i c r o ne v e nn a n o m e t e r s u p e r i o rt ot h er o u t i n ep i l er o l l i n g ，s e v e r ep l a s t i c d e f o r m a t i o nw i t ha s y m m e t r i c a l a r ba si t sm a c h i n i n gp r o c e s sh a ss t r o n ga b i l i t yt or e f i n eg r a i n i m p r o v i n gt h ep r e c i s i o nr o l l i n gm e t h o do ft h ep r o d u c t sg r e a t l y i nt h ep a p e r , t h ep r e s e n ts l a t eo fu l t r a - f i n e g r a i n e dm a t e r i a l s ，s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n a n da s y m m e t r i c a l a r ba r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ；t h ec r a f tt of a b r i c a t eu l t r a - f i n e g r a i n e dc o p p e r u s i n ga s y m m e t r i c a l a r bi ss t u d i e df u l l y ；t h ep r o b l e m o fc o m b i n a t i o no fi n t e r f a c ei ss e t t l e d ； t h ea f f e c to fh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n g 、a n n e a l i n ga n dr o l l i n gm e t h o do nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l sp r e p a r e db ya s y m m e t r i c a i - a r bi sd i s c u s s e da n da n a l y z e dw h e nc o n t r o lp a r a m e t e r so f r o l l i n g m i l ls u c ha st h ep r e s s - - - r a t i o 、t h ea s y n c h r o n o u sr a t e 、r o l l i n g - - s p e e da r ef i x e d ，a n dak i n d o fc r a f tt h a tm e e t st or e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n ti sm a d eo u t s t u d i e sh a v es h o w n ：a s y m m e t r i c a l t h a n1 0 8 ，r o l l i n gs p e e da s1 0 0 r m i n ，e a c hi si tp r e s sq u a n t i t y5 0 r o i l i n gm i l lu n d e rt h ec o n t r o l p a r a m e t e rt ok e e p ，a s y m m e t r i c a l a r bp r e p a r e su l t r ad e t a i l e db r i l l i a n tc o p p e rc r a f t ：6 0 0d e g r e e s c e n t i g r a d ek e e p sw a r mm e l t i n gh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gi n6 0m i n u t e su n d e rt h ec r a f t ，t h e s t r e s sr e l i e fa n n e a l i n gt or o l lt w op a s se a c ht i m e ，g o1 3 0d e g r e e sc e n t i g r a d eo fs t r e s sa n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，k e e pw a r mf o r3 0m i n u t e s b yt e s t i n g d i f f e r e n tr e c r y s r a l l i z a t i o n r e g u l a t i o n a td i f f e r e n t p a s s e s ，t h e l a wt h a tt h e o r g a n i z a t i o nd e v e l o p e du n d e rd i f f e r e n tr e c r y s t a l l i z a t i o nr e g u l a t i o ni s a n a l y z e d a n dt h es t r e s s r e l i e fa n n e a l i n gr e g u l a t i o ni sc o n f i r m e dt h a tc a nn o to n l yd i s p e lw o r k - - h a r d e n ，b u ta l s op r o d u c e e v e nf i n eg r a i nu n d e rd i f f e r e n td e f o r m a t i o na m o u n t h a v i n gf a b r i c a t e dt h eu l t r a f i n e g r a i n e d c o p p e r , t h ec h a n g eo f t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fm a t e r i a li sd i s c u s s e di n i t i a l l y s t u d i e sh a v ea l s os h o w n ：a s y m m e t r i c a l a r bi sak i n do fe f f i c i e n c ym e t h o dt op r e p a r e u l t r a f i n e dg r a i n i tc a nm a k eu l t r a f i n eg r a i no f2 0 0 - - 5 0 0 n mt h r o u g hd i f f e r e n tr e c r y s t a l l i z a t i o n 1 i 托g u l a l i o nw h e nt r u es t r a i ni s3 1 3 9 c o m p a r e dw i t h t h eu n r o i l e dc o p p e rt h a tk e e pw a r mf o r 6 0m i n u t e s ，s u p r e m et e n s i l es t r e n g t ho fu l t r a f i n e g r a i n e dc o p p e ri s r a i s e db y1 2 4t i m e 8 ； s u p r e m ey i e l ds t r e n g t hb y 6 6 5t i m e s a n dt h ef i n a l l yt h i n n i n gd e g r e eo fg r a i nd e p e n d so nr o l l i n gs i z eo ft h ep r e v i o u sg r a i n ， r o l l i n gd e f o r m a t i o na n l o u n ta n dp r o c e s st h a tt h ec r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n g k c yw o r d s ：u l t r a f i n eg r a i n ：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 ) ；a g b ( 8 伽m “1 8 i 7 8 r o l l b o n d i n 曲；a s y m m e t r i c a l - a r b ；r e c r y s t a l l i z a t i o n ；a n n e a l i i 本研究工作是在昆明理工大学云南省新材料制备与加 工重点实验室完成的，研究工作得到云南省自然科学基金重 点项目( 2 0 0 3 e ) 的资金支持和云南省高校联合测试分析基 金提供了分析测试费用，作者表示衷心的感谢! 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，本论文不含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： 日 期： 却巍碧 如许6 月o1 3 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) 导师签名：逝论文作者签名： 聋蛊壁 1 3 期：业生生! 月! !旦 昆明理工人学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 前言 钢铁和有色金属材料在国民经济中具有十分重要的作用。面对当今世界上日 益严重的资源枯竭等问题，进一步提高这些材料的综合性能，提高其使用效益， 己刻不容缓。事实上各国材料科学工作者一直在进行提高材料性能的研究。1 9 9 7 年目本政府启动的“s t x 2 1 超级钢铁材料1 1 】”大型科研项目，我国于1 9 9 8 年底 启动的“新一代钢铁材料重大基础研究”【2 】项目，都把提高结构材料性能作为研 究重点。其目标都是通过对工艺技术的优化、完善及科学准确地控制材料的组织 结构，开发新一代材料。晶粒细化是提高材料强度的一种有效方法，研究表明当 晶粒细化到亚微米级，材料将表现出一系列不寻常的物理、化学和力学性能，因 而细化材料是钢铁和有色金属材料发展的共同趋势。 1 1 超细晶材料 超细晶材料包括晶粒直径为纳米和距微米级的细晶材料，纳米材料通常指晶 粒尺寸小于1 0 0 n m 的单晶或多晶。亚微米级材料的晶粒直径一般小于1um ，亚微 米材料的性能与纳米材料相似。它们的晶粒结构与粗晶相同，但晶界结构不同于 一般的粗晶材料【3 】。 1 1 1 超细晶材料的分类 超细晶材料按其结构可分为四类1 4 】：晶粒尺寸在三个方向均为亚微米范围的 称为三维超细晶材料；具有层状结构的称为二维超细晶材料：具有纤维状的称为 一维超细晶材料：具有原子簇和原子束结构的称为零维超细晶材料。 1 1 2 超细晶材料的结构特征 传统观念视晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷是次要的。德国物理学 家格莱特( g l e i t e r ) 提出如果把缺陷作为物质的主体，将会是怎样的物质，经过多年 的研究，获得双组元材料，即晶态组元和晶界组元二者各占5 0 ，晶态组元仍然是 有序排列，而晶界组元存在大量缺陷，原子有序排列发生变化，g l e i t e r 认为超细晶 材料是其晶粒中原子长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量的界 面。科学界对此展开广泛探讨，目前对超细晶材料的结构有三种不同理论1 5 】： 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 ( 1 ) g l e i t e r 的完全无序说，这种假说认为超细晶晶粒晶界具有较为开放的结构， 原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度低，既无长程有序，也无短程有序。 ( 2 ) s e a g e l 的有序说，认为晶粒晶界处含有短程有序的结构单元，晶粒晶界处原 子保持一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能量的最低状态。 ( 3 ) 叶恒强、吴希俊的有序无序说，认为超细晶材料晶界结构受晶粒取向和外场 作用等一些因素的限制，在有序和无序之间变化。 1 1 3 超细晶材料的性能 超细晶材料因为细小晶粒、高浓度晶界及晶界原子邻近情况决定性能发生一系 列巨大而有益的变化，具有非常独特的力学、电学、磁学、光学等性能【4 】： n ) 力学性能 由于超细晶材料有很大的表面体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，从而， 提高了材料的力学性能，超细晶材料不仅具有高的强度和硬度，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1 6 _ 训。总之当晶粒尺寸小于l um 时，晶粒细化的强度作用将大大超过加工或析出强化的作用【8 j 。 ( 2 ) 电学性能 超细晶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，即电阻率随晶格膨胀率增加而呈非线性升高；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，电阻温度系数还可能由正变负7 l ； 另外，超细晶材料在磁场中电阻减小现象比较明显，磁场中粗晶材料的电阻仅下降 1 2 ，而超细晶材料的电阻下降可达5 0 一8 0 t 4 1 。 ( 3 ) 磁学性能 纳米晶材的磁性来源于尺寸效应，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，在磁作用下也具有巨磁电阻效应。材料的磁学性能与其组分、结构和状 态有关。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1 6 , 7 j 。 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 2 垦塑堡三奎兰堡主主焦堡塞 一 苎二皇兰塾堡整 特点不同外，超细晶材料的颗粒组元小到纳米级时，具有高的矫顽力，低的居里温 度，颗粒尺寸小于某一临界值时，具有超顺磁性等1 9 j 。 ( 4 ) 热力学性能 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，纳米晶体中界面原子较晶内原予有强烈的非简谐振动，对热膨 胀行为有较大的贡献。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的多，原因是 其表面积大、表面能高、界面能高【6 ，”。 ( 5 ) 光学性能 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 1 0 】。 1 1 4 超细晶材料的主要制备方法 超细晶材料的制备方法很多，理论上任何能制备出细晶粒尺寸多晶体的方法都 可以用来制造超细晶材料，如果有相变发生，则在相形成过程中就要增大形核率。 目前，制备超细晶材料的工艺方法主要有：机械合金化法、粉末冶金法、非 晶合金晶化法、物理气相沉积法、电沉积法、循环热处理法、大塑 性变形法、热机械处理法 x 1 - 1 8 等，其中大塑性变形法由于具有能够制备出大块、 致密材料且工艺简单成本低廉等诸多优点而日益引起人们的重视。大塑性变形法是 在常温或相对较低温度下对材料进行塑性变形，当变形量足够大时，就可获得超细 晶材料。 超细晶材料传统的制各方法工艺过程复杂，制各成本高昂，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。而类似于“机械合金法”的制备块 体材料方法，其纳米粉体的加压成型还会遇到纳米粉体团簇和晶粒长大的问题。因 昆明理工大学碗士学位论立 第一章立献综述 特点不同外，超细晶材料的颗粒组元小到纳米级时，具有高的矫顽力，低的居里温 度，颗粒尺寸小于某一临界值时，具有超顺磁性等【。 ( 4 ) 热力学性能 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，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。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的多，原因是 其表面积大、表厩能高、界面能高i 。 r 5 】光学性能 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，既发光现象。 纳米材料的吸收光谱还存在“蓝移”现象，印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 1 4 超细晶材料的主要制备方法 超细晶材料的制备方法很多，理论上任何能制各出细晶粒尺寸多晶体的方法都 可以用来制造超细晶材料，如果有相变发生，则在相形成过程中就要增大形核率。 目前，制各超细品材料的工艺方法主要有：机械合金化法、粉末冶金法、非 晶合金晶化法、物理气相沉积法、电沉积法、循环热处理法、大塑 性变形法、热机械处理法 n 1 8 等，其中大塑性变形法由于具有能够制各出大块、 致密材料且工艺简单成本低廉等诸多优点而曰益引起人们的重视。大塑性变形法是 在常温或相对较低温度下对材料进行塑性变形，当变形量足够大时，就可获得超细 晶材料。 超细晶材料传统的制各方法工艺过程复杂，制各成本高昂，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。而类似于“机械合金法”的制备块 体材料方法，其纳米粉体的加压成型还会遇到纳米粉体团簇和晶粒长大的问题。冈 体材料方法，其纳米粉体的加压成型还会遇到纳米粉体团簇和晶粒长大的问题。因 垦望罂三查堂堡主兰竺堡苎 釜二主兰墼堡竺 此，传统制备超细晶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 ) 是一种大塑性变形技术，具有 强烈的细化晶粒的能力，甚至可以将晶体加工成非晶体f 2 5 l ，而且克服了制备块体材料 方面超细晶稳定性问题，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，使之晶粒度达到超细晶量级( 亚微米及其 以下) ；可以直接制各出大体积金属材料，从而又解决了超细晶材料制各的量问题， 因此成为各国学者研究的焦点。 上个世9 0 年代初，俄罗斯u f a 州州立大学高等材料物理研究所的r z v a l i e v 领导的研究小组开始采用等通道角挤压法( e c a p ) 和高压扭转( h p t ) 两种s p d 工艺制备纳米晶金属【2 6 1 。当时v a l i e v 给出了s p d 工艺应满足的多项条件，其中主 要有：相对低的变形温度：大塑性变形量；变形体内承受高压。在这一原则的指导 下越来越多的s p d 工艺方法被开发出来，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料性能发生根本性的突变。目前开发的方法主要有以下 几种： 1 1 4 1 等通道角挤压( e c a p ) 等通道角挤压( e q u a l c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n g ) 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。原理如图1 1 ，试样垂直放入模具型腔。然后从水平 型腔挤出，从而完成一个道次的挤压过程，e c a p 工艺的变形量由式1 1 计算l 硎， 式中n 为挤压道次，f 、l ，分别为挤压通道的内外角。 e = n ( 2 c t g 2 + 妒2 ) + 妒c s c ( 妒2 + 妒2 ) ) 4 3 ( 1 1 ) 等通道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。 俄罗斯v a l i e v 研究小组于上世纪9 0 年代初首先用e c a p 工艺制备了块状纳米 晶s p d 材料【2 6 i ，制备试样的直径一般不超过2 0 毫米，长度为6 0 1 2 0 毫米，晶粒尺 寸在2 0 0 3 0 0b m 之间【2 引。退火低碳钢、有色金属及其合金等塑性较好的材料均可采 用该工艺加工。 目前e c a p 工艺已开发出以下四种工艺路线：工艺一是每道次挤压后，试样不 垦望兰三叁兰堡主兰堡笙苎蔓= 里 苎坚堡垄 旋转，直接进行下一道次的挤压：工艺二是每道次挤压后，试样旋转9 0 。，进行下一 道次的挤压，旋转方向交替改变；工艺三是每道次挤压后，试样旋转9 0 0 ，进行下 一道次的挤压，旋转方向不改变；工艺四是每道次挤压后，试样旋转1 8 0 。，再进行 下一道次的挤压。这四种工艺路线对被加工材料的最终组织及性能有很大影响。一般 认为经工艺- - j 口t 的块体材料较优，且晶粒细化效率较高【2 9 【3 0 i 。 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，并且有以下特点：( 1 ) 试样形状在挤压后保持不变，因而可以反复挤 压产生大的应变；( 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备纳米( 超细晶) 体材料的方法1 3 1 。3 4 1 3 6 3 9 1 。 图1 1e c a p 法示图 f i g 1 1e c a p e q u a lc h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n g 图1 2 h p t 法图示 f i g 1 2 册h j 曲p r e s s u r ea n dt o r s i o n 1 1 4 2 高压旋转( h p t ) 高压旋转( h i g h p r e s s u r e t o r s i o n ) ，与等通道角挤压同时被v a l i e v 引入来制备 纳米晶s p d 材料【25 1 ，原理见图1 2 ，在室温条件下，模具中的试样被施以g p a 级的 高压，同时通过转动冲头来扭转试样样品在高压力，冲头高速旋转产生的摩擦力和剪 切力的共同作用下，制得纳米块体材料。试样的变形量由冲头转动的因数来控制并可 用式1 2 计算，式中n 为冲头转动因数，r 为距试样中心的距离，l 为试样厚度 3 引， ( 1 2 ) 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等 脆性材料的制备。通过h r e m 观察发现，h p t 可以将金属间化合物n i 3 a l 、f e 3 a l 和 n i t i 的晶体加工成完全无序状态，甚至在n i t i 中出现了完全非晶化现象【2 ”。 5 垦塑堡三查鲎堡兰兰竺笙兰兰二兰壅坚堡堕 目前该方法可制备的样品尺寸为由1 2 2 0 m m ( 0 2 1 ) m m 、晶粒度为2 0 1 5 0 r i m 的薄片【4 0 4 2 1 。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 p t 法的发展1 3 6 。3 8 1 。 1 1 4 3 反复弯曲平直法( r c s ) r 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 i g h t e n i n g ) 是2 0 0 1 年新开发出来的s p d 工 艺，图1 3 是该说明了该工艺的加工原理是将低温试样反复在模具中压弯、在平砧问 压直，每道次弯曲平直问试样转9 0 。试样的应变量可以用弯曲平直道次数来计 1 3 6 。3 8 t 4 3 4 4 1 。 该方法易于在轧机上实现连续生产，是一种比较成熟的加工方法。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 45 1 。 图1 3 折皱一压直法图示 f i g 1 3r c sr e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g 1 1 4 4 多向锻造( m f ) 和多向压缩( m c ) 多向锻造( m u l t i - f o r g i n g ) 是一种自由锻工艺，一般锻造前试样需加热，锻造温 度为0 1 - - 0 5 t m 。上个世纪9 0 年代初俄罗斯科学院超塑性问题研究所的s a l i s h c h e v 等采用该方法加工了一系列铁合金【4 6 , 4 7 。在对脆性较大的t i a i 的研究中，s a l i s h c h e v 进步发展了m f 工艺：第一步对试样进行热机械变形以获得细晶组织；第二步超塑 性变形以提高组织的均匀性；第三步在保证超塑性变形的温度一形变速率条件下，对 试样进行热机械变形以获得纳米晶组织。s a l i s h c h e v 采用该方法制得了晶粒尺寸为 l o o n m 的t i a i 块体材料，后来，又制得了晶粒尺寸为6 0 n m 的t i 6 a i 3 2 m o 块体材料f 4 ”。 多向压缩( m u l t i a x i a lc o m p r e s s i o n ) 的原理与m f 基本一致，只是去掉了拔长 工序。具体操作上采用固定比例的方形试样，每道次缩3 0 一4 5 ，淬水，然后将变 形试样机加成原比例的试样( 长轴转9 0 0 ) ，再沿第二轴进行压缩，如此反复压缩。近 垦望矍三查兰堡主兰焦丝茎笙= 皇兰堕堡垄 年来，a b e l y a k o v 在日本采用多向压缩工艺对纯铜及不锈钢等材料进行了加工，晶 粒尺寸可以达到数百纳米，并对加工后试样的再结晶行为作了细致的研究1 4 9 。5 1 i 。多 向压缩工艺便于精确计算变形量，但仍属于多向锻造的一种。 1 1 4 5 冷拔( c d ) 冷拔( c o l dd r a w i n g ) 工艺的原理是将事先熔铸好的复合金属锭进行多次道次的 拉拔，使基体中的复合相粒子变形成沿拉拔方向平行分布的细丝或层片状结构。一般 细丝或层片状结构的直径或成片间距小于1 0 0 n m 。c d 工艺的累积真应变量可由式1 3 计算，式中a i 和a f 分别为冷拔前后试样的横截面积1 5 2 1 。 叩= l n 万a i ( 1 3 ) 冷拔工艺广泛用于制备金属基原位复合材料，可以很好地将复合相沿拉拔方向 排布并细化成纳米相【5 2 。5 4 1 。d m a t t i s s e n 等在制备c u 一8 2 w t a g - - 4 w t n b 线材时1 5 2 1 ， 总的真应变量达到1 0 5 ( 无中间退火) ，合金中a g 丝的平均直径从6 7 6 n m ( n = 3 6 ) 细 化为2 6 0 n m ( n = 6 ) ，n b 丝的平均直径从5 2 9 n m ( r l = 2 6 ) 细化为6 6 r i m ( r i = 9 5 ) ；拔 制后的合金线电导率虽然只有纯铜的4 6 ，但抗拉强度却提高到1 8 4 0 m p a 。c d 工艺 在制造高强度复合电缆线领域具有重要的应用价值。 1 1 4 6 超音喷丸( u s s p ) 和高能喷丸( h e s p ) 超音喷丸( u l t r a s o n i cs h o tp e e n i n g ) 原理是将退火试样放在试样夹持器上，然后 用直径为2 m m 的不锈钢弹丸以超音速撞击试样表面，试样表面层会因瞬间强烈塑性 变形而细化，喷丸处理后试样表面会形成几十微米厚的纳米晶粒层。一般试样表面的 变形量以喷丸时间计算1 55 1 。1 9 9 4 年吕坚等提出了该工艺，此后的研究表明经过1 8 0 0 s 处理的试样，表面层为1 0 n m 的等轴晶粒，无织构，纳米层厚度约为1 0 “m 【5 。 高能喷丸( h i g h e n e r g ys h o tp e e n i n g ) 的工艺原理与u s s p 是一致的，区别仅在于 弹丸的直径增大到9 m m ，表面纳米层厚度可以达到2 0 um 1 5 7 1 。 u s s p 与h e s p 都是表面处理工艺，但是材料表面纳米化可能大大地提高块体工 程材料的综合力学性能及环境服役行为，因此该工艺具有重要的应用价值。 1 1 4 7 沙漏挤压( s e ) 沙漏挤压法( s a n d g l a s se x t r u s i o n ) 最早由波兰科学家申请专利，而我国陆文林、 王勇、冯泽丹和海锦涛此方面作了制备超细晶材料的研究【5 7 】。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 7 垦翌里盔兰堡主堂垡堡苎 墨= 皇苎壁堡至 积变形量，同时晶粒逐步细化，从而获得超细晶材料。 沙漏挤压工艺如图1 4 所示：试样在模具型腔内，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运动，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，然后移去一侧顶杆，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。将两顶杆 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。 1 顶杆a ：2 型腔模a ：3 试样；4 模芯：5 型腔模b ；6 顶杆b 图1 4 沙漏挤压图示 f g 1 4s a n d g l a s se x t r u s i o n 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【5 们。 1 1 4 8 叠轧法( a r b ) 叠轧法( a c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g ) 亦称累积叠焊法，轧制工艺如图1 5 过程 为：( 1 ) 对板材进彳亍表面处理；( 2 ) 打磨，防止两层板材相互滑动； ( 3 ) 将板材叠合压紧，准备轧制；( 4 ) 将叠合好的板材送入轧机轧 制，然后按工序( 1 ) ( 4 ) 进行反复。叠轧法是由日本o s a k a 大学y s a i t o 研究小组提出的，目前采用该工艺已制得超细晶铝合金及i f 钢等的板材。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，同时大量的低角度晶粒说明有横向晶界存在【59 1 ，因此，要获得 良好的等轴晶粒还必须进行必要的退火处理。 叠轧法很早以前用在工业生产中，目的是为了获得薄板，而在研究纳米( 超细 晶) 体材料制各的方法中，叠轧法通过对板的叠合克服了因轧机弹性变形而造成的 “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1 6 0 l 。 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 5 叠轧法不图 f i g 1 5a c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g 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板带轧机，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，因此对叠 轧法应用的研究将具有很深刻的理论意义和光明的市场前景1 6 1 】。 1 1 5 超细晶材料的前景与应用 当物质处于超细晶状态时，引起超细化颗粒的表面结构与晶体结构发生了独特 的改变，从而产生量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观隧道效应等【9 1 。这 些效应使超细晶材料在力学性能、磁学性能、热学性能、光学性能、电学性能、催 化性能、生物活化性能等方面发生变化，从而得到广泛的应用。超细晶材料和普通 材料都由相同的原子构成，只不过这些材料的结构粒子或组成单元是由其原子构成 的原子晶、原子团组成的。它们对光、机械应力和电的反应不同于微米级的结构颗 粒，其材料从宏观上显示出很多奇妙的特性，如纳米材料铜比普通铜的强度高5 倍， 纳米陶瓷摔不碎【2 3 1 ，超细晶材料具有极大的商业价值。 正由于超细晶材料的众多令人心动的特性，它已经成为了跨世纪的新学科，是 国际科学界、工程技术界关注的热点。目前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 已得到或正在得到越来越广泛的应用，如在光学方面，它可以作为隐身材料、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 9 一 罂 垦塑里三查兰堡主堂竺堡苎 苎二童壅墼堡垄 制成导电浆料、绝缘浆料、电极等，也可制成量子器件、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；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；超细晶结构材料在过滤器、能 源材料、环保用材等方面也具有广泛用途【2 0 , 2 2 - 2 4 超细晶材料的潜在应用具有巨大的伸展空间，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。超细晶技术的发展，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【1 9 】。 1 2 异步叠轧原理与国内外研究现状 1 2 1 异步轧制原理 异步轧制是一种2 0 世纪6 0 年代兴起的板带材轧制生产技术，异步是指轧辊的 线速度不同，线速度不同可以通过改变上下轧辊直径、改变上下辊轧制速度、或同 时改变上下轧辊直径和轧制速度来实现。 图1 6 异步轧制示意图 f i g 1 6a s y m m e t r i c a l r o l l i n gp r c o e s s ( c ) 轴棚 由于上下工作辊面线速度不等，因此异步轧制的变形模式、应力状态和能量的 传递方式均与常规轧制过程不同，二者变形区的几何状态不变，但异步轧制条件下 的变形区中总存在搓轧区如图2 1 ( a ) ，在搓轧区上下接触面上的摩擦力方向相反( 慢 】o 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 速侧轧的摩擦力指向入f i ，快速辊摩擦力指向出i z l ) 轧件处于剪切应力状态，从而 改变了变形区内金属应力状态及流动方式如图2 1 ( b ) ，( c ) 。出于异步轧制完全消 除了外摩擦的阻碍作用引起的轧制压力的增加部分。因而与常规轧制相比，异步轧 制可以显著降低轧制压力，获得大延伸，提高了轧机的轧薄能力和生产效率，轧制 精度亦可明显提高。 i 2 2 国内外研究现状 国内关于异步叠轧的研究主要有以下几个方面【6 7 1 3 】：其一是在取向硅钢中的研 究( 包括异步轧制对取向硅钢织构和磁性的影响、取向硅钢极薄带的织构研究、织 构形成与转变机理、织构的模拟研究取向硅钢薄带再结晶、及工艺的研究) ；其二是 在其它钢中的