（材料学专业论文）累积叠轧焊制备alspcc多层复合材料及其力学性能.pdf

q at h e s i si nm a t e r i a is c i e n c e a 1 s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e s p r o d u c e db y a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n ga n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s b yw a n gx i a o f e n g s u p e r v i s o r ：a s s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gb i n p r o f e s s o rz h a n gg u a n g p i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 卅 p 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 6 二 思0 学位论文作者签名：够r 形罕 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 欷癌 叩7 0 2 妒 东北大学硕士学位论文 摘要 累积叠轧焊制备a 1 s p c c 多层复合材料 及其力学性能 摘要 累积叠轧焊法是一种制备层状复合材料的新方法，该方法利用很高的累积应变使材 料的晶粒组织得以细化，从而改善材料的力学性能。而极具吸引力的是该方法易于实现 工业化生产。选取价格低廉的铝和普通冷轧钢板( s p c c ) ，将其作为组元材料进行层状 复合，利用a l 的耐蚀性以及钢的高强度强强组合制成性能更优异的复合材料。这种层状 复合材料在飞机、船舶、汽车和高速列车的结构件以及装饰件上将具有广泛的应用前景。 同时，研究多层复合材料的力学性能，对于层状材料的性能设计具有重要的理论意义。 本研究采用了累积叠轧焊方法制备了a 1 s p c c 金属多层复合材料，并对叠轧所得的 复合材料进行了3 个温度下的退火处理。利用扫描电镜和透射电镜对不同叠轧道次的 a 1 s p c c 金属多层复合材料的横截面形貌、微观组织结构以及界面特征等进行了研究。 对叠轧不同道次和随后不同温度退火的a 1 s p c c 金属多层复合材料的拉伸性能、弯曲性 能及显微硬度进行了研究。实验获得如下研究结果： ( 1 ) 采用累积叠轧焊方法可以制备a 1 s p c c 钢多层复合材料，叠轧后的各组元层材 料的晶粒尺寸细化到亚微米尺寸。 ( 2 ) 随着叠轧道次的增加，a i s p c c 钢多层复合材料的强度逐渐升高。经第二道次 叠轧的多层复合材料的延伸率出现最大值。 ( 3 ) 经过退火后的叠轧态a 1 s p c c 钢复合材料，其强度随退火温度的升高而下降， 而延伸率升高。三道次叠轧的a 1 s p c c 钢层状复合材料经1 5 0 。c 退火后的综合力学性能 最好。 ( 4 ) 弯曲实验表明，经一道次叠轧的复合材料的界面结合强度较高，二和三道次叠 轧的复合材料的界面结合强度下降。退火可以有效促进界面结合强度。三道次叠轧1 5 0 退火后的多层复合材料的弯曲性能最好。 关键词：累积叠轧焊；a 1 s p c c 金属多层复合材料；微观组织结构；拉伸性能；退火； 显微硬度；弯曲性能 妒 i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 1 s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e sp r o d u c e db y a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n ga n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a bs t r a c t a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ( a r b ) i san e wm e t h o dt op r e p a r em e t a l l i cm u l t i l a y e r e d c o m p o s i t e s b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h eg r a i ns i z ec a nb em a d ef i n et h r o u g ha p p l y i n gh i g h l y a c c u m u l a t i v es t r a i n ，a n dt h u sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lc a nb ei m p r o v e d s u c ha m e t h o di sm o r ea t t r a c t i v eb e c a u s ei tc a nb ei n d u s t r i a l i z e de a s i l y b ys e l e c t i n gc h e a pa 1a n d c o l dr o l l e ds t e e lp l a t e ( s p c c ) a n du t i l i z i n gg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fa 1a n dh i g hs t r e n g t h o fs t e e l ，a ne x c e l l e n tc o m p o s i t ea l t e m a t i v e l ys t a c k e db yt w oc o n s t i t u e n tl a y e r sa r ee x p e c t e dt o b e p r o d u c e d t h e r e i saw i d ea p p l i c a t i o ni ns t r u c t u r ec o m p o n e n t so fa i r p l a n e ，s h i p ， a u t o m o b i l ea n de x p r e s st r a i n m e a n w h i l e ，i ti sa l s oo ft h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r t h eo p t i m u m d e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c em u l t i l a y e r e dm a t e r i a l st os t u d ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e s i nt h i ss t u d y , a 1 s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e sw e r ep r o d u c e db ya r bp r o c e s s i n g t h e a r b p r o c e s s s e dc o m p o s i t e sw e r ea n n e a l e da tt h r e ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s c r o s s s e c t i o n a l m o r p h o l o g i e s ，m i c r o s t r u c t u r e sa n d i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fa i s p c cm u l t i l a y e r e d c o m p o s i t e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) e q u i p p e dw i t he n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) a n dt 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 ) t e n s i l e p r o p e r t i e s ，b e n d i n gp r o p e r t i e s a n dm i c r o h a r d n e s so fa r b - p r o c e s s e da n ds u b s e q u e n t l y a n n e a l e da 1 s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ed r a w na sf o l l o w i n g ( 1 ) a 1 s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e sc a nb ep r o d u c e db ya r bt e c h n i q u e g r a i ns i z eo ft h e c o m p o n e n tl a y e r sw e r er e d u c e d t os u b m i c r o ns c a l e ( 2 ) w i t hi n c r e a s i n ga r bc y c l e s ，t h es t r e n g t ho ft h ea 1 s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e sw a s g r a d u a l l ye n h a n c e d ，a n dt h ee l o n g a t i o no ft h ec o m p o s i t es u b je c t e dt ot w o c y c l ea r b 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s s i n gi sl a r g e s t ( 3 ) a f t e ra n n e a l i n go ft h ea r b p r o c e s s e da 1 s p c cs t e e lm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e s ，t h e s t r e n g t hd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，w h i l ee l o n g a t i o ni n c r e a s e s t h e t h r e e - - c y c l ea r b p r o c e s s e da i s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t ee x h i b i t so p t i m u mm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa f t e ra n n e a l i n ga t15 0o c ( 4 ) b e n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i l a y e r e dc o m p o s i t ea f t e ro n e c y c l ea r b p r o c e s s i n gh a sah i g h e rc o h e s i v es t r e n g t ho ft h el a y e r l a y e ri n t e r f a c e ，w h i l et h a ta f t e rt w o a n d 铲 t h r e e 。c y c l e a r bp r o c e s s i n gh a sal o w e rc o h e s i v es t r e n g t ho ft h el a y e r 1 a y e ri n t e r f a c e p a n n e a l i n gc a ni m p r o v et h ei n t e r f a c e c o h e s i v es t r e n g t he f f e c t i v e l y t h em u l t i l a y e r e d c o m p o s i t ea n n e a l e da t15 0o ch a se x c e l l e n tb e n d i n gp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ；a i s p c cm u l t i l a y e r e dc o m p o s i t e s ；m i c r o s t r u c t u r e ； t e n s i l ep r o p e r t i e s ；a n n e a l i n g ；m i c r o h a r d n e s s ；b e n d i n gp r o p e r t i e s i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 复合材料的发展概况和分类1 1 1 1 复合材料的发展概况1 1 1 2 复合材料的分类2 1 2 金属基复合材料的发展概况2 1 3 层状金属复合材料的研究现状4 1 4 层状金属复合材料的加工方法5 1 4 1 爆炸复合法5 1 4 2 压力加工复合法5 1 4 3 电磁成型复合8 1 4 4 挤压复合法8 1 4 5 扩散焊接法8 1 5 累积叠轧焊9 1 5 1 背景9 1 5 2 累积叠轧焊技术原理1 0 1 5 3 材料经累积叠轧焊后的特性1 2 1 5 4 累积叠轧焊的强化机制13 1 5 5 存在的问题及其改进方法1 3 1 5 6 累积叠轧焊技术的应用前景及展望1 4 1 6 本文研究目的、意义及内容一1 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 第二章实验材料及实验方法1 7 2 1 实验材料1 7 2 2 累积叠轧焊实验方法1 7 2 2 1 实验材料的准备1 7 2 2 2 实验设备18 2 2 3 实验过程18 2 3 样品的分析表征方法1 9 2 3 1 横截面整体形貌s e m 观察1 9 2 3 2 横截面e d s 成分分析2 0 2 3 3 样品的t e m 表征与分析2 0 2 4 力学性能测试2 0 2 4 1 横截面维氏显微硬度测定2 0 2 4 2 拉伸实验2 1 2 4 3 三点弯曲实验2 1 第三章a 1 s p c c 多层复合材料的表征与分析2 3 3 1a 1 s p c c 多层复合材料的横截面s e m 观察2 3 3 2a i s p c c 多层复合材料的t e m 观察2 5 3 3a 1 s p c c 多层复合材料的力学性能2 8 3 3 1 拉伸断口扫描观察及拉伸性能2 8 3 3 2 显微硬度测试3 2 3 3 3 三点弯曲性能3 3 第四章退火态a i s p c c 多层复合材料的表征与分析3 5 4 1 退火态a 1 s p c c 多层复合材料的横截面高倍s e m 观察3 5 4 2 退火态a 1 s p c c 多层复合材料的t e m 观察3 6 v i 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 退火态a 1 s p c c 多层复合材料的力学性能3 8 4 3 1 退火态a 1 s p c c 多层复合材料的拉伸性能3 8 4 3 2 显微硬度测试4 3 4 3 3 退火态a i s p c c 多层复合材料的三点弯睦性能4 5 4 4 各个条件处理所得的实验材料性能对比4 8 第五章结论4 9 参考文献5 1 致谢5 7 - v i i 0 j 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 复合材料的发展概况和分类 1 1 1 复合材料的发展概况 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，人类社会物质的进步都和材料科 学所经历的几次大的革命性进展息息相关，从原始人使用的石块、木棒等天然材料到石 器时代、铜器时代和铁器时代的加工材料，人类的生活方式和生产方式发生了根本性的 改变。材料对于国民经济建设和国防建设起着重要作用。当代高新科技迅速发展过程中， 新材料的基础和先导作用日趋明显，新材料本身成为当代高技术的重要组成部分。 人类使用复合材料的起源可追溯到古埃及，用土和植物叶茎等混合，日晒制成土坯， 到十九世纪末复合材料开始进入工业化生产，最早的近代复合材料是1 9 4 2 年美国发明的 玻璃纤维增强聚酯。随着6 0 年代宇宙开发竞争的激烈，对高强度轻质材料的性能要求越 来越高，作为增强用纤维，要求尽量用比模量高的纤维，这样，产生了硼纤维丝和蓝宝 石的单晶纤维及晶须等。碳纤维的出现也是在6 0 年代后半期【l 】。复合材料在人类征服自 然、创造文明的过程中起到重要作用。现代高技术的发展对材料性能的要求同益提高， 但是材料己很难满足性能的综合要求，材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。 复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l s ) 是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合 物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的 一类新型材料【2 】。它有两个特点：一是不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分 所不具备的新性能；二是它具有很大的材料设计自由度。复合材料因具有可设计性的特 点而发展很快，各种对复合材料的基础性研究也得到发展。 如下图1 1 所示，增强体a 和基体b 都有自己的优点和缺点，c 1 是把两者优点结合得 到的材料而c 2 是把两者缺点结合得到的材料，c 3 就是最终c i 矛i c 2 复合得到的材料，结 合了增强体a 和基体b 的优点和缺点。 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 优 增强体 a 缺点优点 基体 b c 3 图1 1 复合材料的叠加效应 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es u p e r p o s i t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s 1 1 2 复合材料的分类 点 复合材料是应现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，它由两种或两种 以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成。各个组成材料在性能上起协同作用， 得到单一材料无法比拟的优越的综合性能。其分类如图1 2 所示【3 】，复合材料可以从性 能、基体材料种类、用途、增强材料的种类以及增强材料的形状几个方面去进行划分。 1 2 金属基复合材料的发展概况 金属基复合材料是以金属为基体，高强度的第二相为增强体而制得的复合材料，它 是一类新型的复合材料，它因具有高比强度、高比模量、高耐磨性等优异性能而引起人 们的关注。随着科学技术的发展，对材料的要求越来越高，有着“二十一世纪材料”之称 的复合材料必将成为未来的重要材料【4 1 。 东北大学硕士学位 复合材料的分类 按增强材料的形状分为 蓁 军委委至票爹物， 图1 2 复合材料的分类 f i g 1 2 c l a s s i f i c a t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s 金属基复合材料可分为宏观组合型和微观强化型两大类。宏观组合型指其组分能用 肉眼识别和兼备两组分性能的材料；微观强化型指其组分须用显微镜才能分辨的以提高 强度为主要目的的材料，可按基体或用途不同来分类。如下图1 3 所示，金属基复合材 料具体分为颗粒增强和纤维增强两大类5 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料 纤维增强金属 基复合材料 图1 3 金属基复合材料的分类5 1 f i g 1 3 c l a s s i f i c a t i o no fm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s 【5 】 1 3 层状金属复合材料的研究现状 随着现代科学技术和现代工业的发展，单一的金属和合金已很难完全满足现代工业 生产对材料综合性能的需要，因而异种金属以层状结合而形成的新型复合材料，近年受 到了世界各国的普遍重视。金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、 化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合而制备的一种新型复合材料。 层状金属复合材料在保持母材金属特性的同时具有“相补效应”【6 j ，可以弥补各自的不足， 经过恰当的组合易形成优异的综合性能，被广泛应用于汽车、飞机，环保设备，化工设 备等方面。 目前，世界上在有色金属层状复合材料的研究和应用领域取得显著成功的国家有 美、日、俄、英、德等，主要材料品种是含有铜、铝、钛、镍、锆等金属组分的层状复 合板、复合管、复合棒以及过渡接头，年产量在2 0 万吨以上【7 1 。 我国于2 0 世纪6 0 年代中期丌始研究这种新型材料。西北有色金属研究院、宝鸡有色 金属加工厂、大连造船厂等单位开展相关工作较早。1 9 6 8 年大连造船厂陈火金等通过爆 炸复合工艺试制成功了国内第一块双金属复合板【8 1 。3 0 多年来，在异种金属的连接和大 东北大学硕士学位论文第一章绪论 面积层状金属复合板的复合工艺研究和应用方面，我国科研和生产应用取得了重要进 展。在爆炸复合工艺方面，我国与世界多数国家处于同一水平，金属爆炸复合产品已实 现规格化、系列化、性能标准化，年生产能力超过1 万吨【9 1 0 1 。 1 4 层状金属复合材料的加工方法 金属层状复合材料的加工方法有许多种，包括爆炸复合、压力加工复合、电磁复合 等力学复合方法；还有钎焊、铸造、s h s ( 自蔓延高温合成) 、喷射沉积、粉末冶金等 冶金方法，以及胶粘、表面涂层等化学方法1 1 m 】。但对于层状金属复合材料的工业生产 来说，主要以力学复合方法为主。 1 4 1 爆炸复合法 金属爆炸焊接是借助炸药爆炸产生的高强化学能，来驱动复板高速碰撞基板，碰撞 点产生的瞬间高压，不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜，露出了新鲜的表面，而且在露出 新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从 而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术。 关于爆炸复合的机制，目前主要集中在对复合材料界面的研究。国内外学者对于许 多金属对之间的界面结构、界面结合状态都有了一定程度的认识。但是由于透射电镜 ( t e m ) 试样制作困难，大部分分析工作都只停留在金相显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 的水平上。少数人对于钛钢爆炸复合材料进行了比较深入的探索【1 3 】，揭示了复合界面 结合层内的微观组织结构及其冶金结合机制、界面结合层内微观断裂机制以及界面扩散 反应机制掣1 4 , 1 5 】。 爆炸复合法主要适合于单张面积较大、厚的复合板材产品或复合板坯、多层复合板 的生产。到目前为止，采用爆炸焊接复合法已经能够成功地进行3 0 0 多种金属的复合，有 5 0 多种实用的金属组合正在投入实际使用，如钛2 钢、钛2 钢2 不锈钢、钛2 不锈钢、钛2 铜、不锈钢2 钢、铜2 钢、铜2 银等，单张复合板的面积已达2 0 多平方米9 6 1 。 1 4 2 压力加工复合法 压力加工复合法是指异种金属在塑性变形( 一般变形成度足够大) 过程中由于受到 变形力的作用，而使接触表面接近原子厚距离，形成大量结合点，并在后续的扩散热处 理中形成稳固的冶金结合。压力加工法中研究得最多也应用得最广泛的是轧制复合法， 气 东北大学硕士学位论文第一章绪论 且主要集中在工艺、界面复合机制方面。 轧制复合法的基本原理是指金属板在受到轧机施加于其上强大压力的作用下，在两 层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂。随后，洁净而活化的金属层从 破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。在后续的热处理过程 中结合面继续扩大，形成稳固结合。轧制复合与单金属板轧制的根本区别在于必须施以 大的初始道次压下量，促使复合面的物理接触。 根据轧制复合温度参数，轧制复合法可分为热轧复合法和冷轧复合法。冷轧复合法 中，根据轧机轧辊的转速或辊径的差异，可分为等辊径等辊速复合法和异步轧制复合 法。 1 热轧复合法 热轧复合法是将待复合的金属坯料加热到一定温度，对其施加大的压下量进行轧 制变形，在受到热和力的同时作用而使不同金属复合的一种工艺方法。一般来说，采用 热轧法生产复合板，首先要将待复合的表面进行合适的处理，以达洁净、活化的目的。 如果两种余属组分的热轧温度相差不大，可以采用铆接或焊接的方法进行复板和基板的 组坯，这样既防止了金属板在加热的时候发生变形，又免去了轧制喂料时重新组坯的麻 烦。如果两种金属组分的热轧温度相差较大，最好先经过充分的试验，在热等强温度下 或者接近这个温度进行f l a 0 。 热轧复合时界面复合机制非常复杂，也是长期争论与研究的课题。现在得到公认的 机制有【1 7 ，1 8 】：表面层裂缝机制，再结晶机制，扩散机制。相对于其他复合工艺，热轧 复合法的优点有：( 1 ) 由于是热变形，轧制力较小，对轧机的要求不高；( 2 ) 工艺简单，成 本低；( 3 ) 界面结合牢固。缺点有：( 1 ) 当复合金属为活性金属( 如a l ，t i ) 时，加热时容 易在界面形成脆性的金属间化合物；( 2 ) 如轧制时没有保温措施，复合金属板的长度则 受到限制；( 3 ) 复合板的厚度难以控制，生产一致性和稳定性差，多适合于生产厚的复合 板材及板坯。 2 等辊径等辊速冷轧复合法 由于热轧复合在工艺实施中存在着一定的困难，冷轧复合法便应运而生。在2 0 世纪 5 0 年代，美国首先提出了表面清理、大变形复合、复合界面热扩散处理的工艺路线【1 9 】。 此后，冷轧复合工艺在工业生产中得到了大量应用，在某些产品的制备方面甚至取代了 传统的复合工艺。此外，这种复合工艺可以结合清洗、刷面、热处理等工艺，组合成流 水式生产成卷的复合材生产线，生产效率高。 东北 由于等辊径等辊速冷轧复合法要求较大的一次压下率，这样大的一次压下率往往超 过了一般轧机的承受能力，板面越宽，轧制负荷越大，冷轧固相复合越困难。另外，随 着人们对材料性能要求的提高，层状复合材料组分之间的性能差异越来越大，轧制复合 难度进一步增加。近些年来，国内外研究者都千方百计的寻求降低轧制临界变形率的方 法【2 4 。2 5 1 。国内研究了对基、复材采用不同的轧制温度的异温车l a j j 复合技术，并采用只对 铝层进行加热的工艺完成了钛铝复合板的轧制；国外推出了控制气氛轧制复合工艺， 既可以分别控制基、复材轧制坯料的加热温度，又可以采用带式法生产成卷的复合板带 材。 3 异步轧制复合法 异步轧制是2 0 世纪6 0 年代开始兴起的一种板带轧制生产技术2 6 1 。异步轧制复合法 是7 0 年代提出来的一种复合板生产技术，包括我国在内的许多国家都投入了相当的科 研力量进行基础研究和推行产业化。经过3 0 多年的发展，虽然已经取得了大量的科研成 果，但是离大规模的实际生产应用还有一定的距离。 所谓异步轧制是以轧辊线速度不对称为主要标志特征的一种新的轧制技术。它具有 以下特点：( 1 ) 上下轧辊对金属板接触表面的摩擦力方向相反；快速辊产生的摩擦力向 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 前，慢速辊产生的摩擦力向后，在板材中间形成“搓轧区”；( 2 ) 单位压力分布均匀、变 化平缓；( 3 ) 对两层金属施加不同的张力，可以增强结合界面处的搓轧作用，而这种搓轧 作用有利于降低轧制复合所需要的临界变形力。因此，异步轧制复合法可以生产出复合 强度高、表面光洁的冷轧复合薄板【2 ”。 1 4 3 电磁成型复合 电磁成型是6 0 年代国内外兴起的一种新型金属塑性加工技术，它是靠瞬间的强脉冲 磁场提供的能量，使异种材料产生高速碰撞来实现结合的。主要用于金属与金属、金属 与陶瓷或金属与高聚物的连接2 8 1 。 电磁复合的机制一般认为同爆炸复合的机制相近，与爆炸复合相比，电磁复合还具有 以下特点【2 9 】：( 1 ) 不需要一系列复杂的安全设备，噪音小，不污染金属表面或破坏其光 洁度。故可以不加缓冲层，节约大量能。( 2 ) 金属可以在高温下进行复合。( 3 ) 可以把 金属复合到非金属上而不损坏非金属。( 4 ) 能量控制精确，重复性好，易于实现机械化、 自动化。 1 4 4 挤压复合法 将包层金属和被包层金属表面清理后组装成挤压坯，然后以适当的温度和挤压比参 数挤压成型。在压力作用下，金属紧密接触并复合。该方法适合于生产管、棒、线及矩 形断面的复合型【3 们。但挤压复合的材料范围受限制，不适于连续化生产，并要求使用较 大功率的挤压机。 1 4 5 扩散焊接法 在低于母材熔点的温度下，在尽量使母材不出现变形的程度下加压，使母材紧密接 触，利用界面出现的原子扩散而实现结合的方法。扩散焊接过程大致可分为三个阶段， 第一阶段为物理接触阶段，被连接表面在压力和温度的作用下，总有一些点首先达到塑 性变形，在持续压力的作用下，接触面积逐渐扩大最终达到整个面的可靠接触；第二阶 段是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层；第三阶段是在接触部分形成的结 合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠连接接头。当然，这三个过程并不是截然分开的， 而是相互交叉进行，最终在接头连接区域由于扩散、再结晶等过程形成固态冶金结合， 它可以生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠连接。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 该方法分为无助剂自扩散焊接、无助剂异扩散焊接、有助剂扩散焊接、过渡液相扩 散焊接 3 1 , 3 2 禾- 1 1 相变超塑性扩散焊接3 3 , 3 4 。该方法可获得与基体性能一致的接头性能，可 对性能和尺寸相差悬殊的材料进行焊接，没有宏观变形，接头残余应力小。 1 5 累积叠轧焊 1 5 1 背景 近年来，关于纳米晶和超细晶亚微米晶的加工工艺、组织和性能的研究受到广泛关 注。通常认为纳米晶的晶粒尺寸范围为水1 0 0i l i i l 【3 5 1 ，超细晶( u l t r a f i n eg r a i n s ，u f g ) 的晶粒尺寸范围为1 0 0n m d lt t m 3 5 - 3 6 1 ，或1 0 0n m d 5 0 0n m 3 7 1 ，而对于亚微米晶粒 ( s u b m i c r o n g r a i n s ) 组织的定义为网：晶粒在各个方向上的尺寸均小于1p m ，大角度晶 界( h i g ha n g l eg r a i nb o u n d a r y ，h a g b ) 的比例大于7 0 。晶粒细化是目前所知的既能 提高强度，又能改善韧性的主要方法。亚微米的晶粒组织可以使材料在室温下具有高的 强度和韧性【3 7 ，3 9 1 ，以及在高温下表现出低温超塑性和高应变速率超塑，| 生 3 6 , 4 0 】。h a l l p e t c h 公式( 式1 1 ) 给出了屈服强度与晶粒尺寸间的定量关系。 o s = o o + k d 一1 陀 ( 1 1 ) 式中d 为晶粒的平均直径；t r 0 为其它强化方式作用项；后为常数。晶粒尺寸对材料 流动应力的影响如图1 4 所示【4 1 1 ，当材料的晶粒尺度在l o o n m 以下时，k 值一直维持恒定， 达到1 0 0 n m 以后，k 值降低并维持不变，最后到1 0 n m 后，k 值变为负值，材料的强度反而 随着晶粒尺寸的减小而减小。 。一g r a i ns i z e lm n1 0 0n m1 0n t b - ， f - _ ， 图1 4 晶粒尺寸对材料流动应力的影响 f i g 1 4 e f f e c to f g r a i ns i z eo nf l o ws t r e s so fm a t e r i a l s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制备纳米晶和超细晶的方法主要有如下两种：( 1 ) t o p d o w n i 艺，旨在细化常规组 织材料的晶粒；( 2 ) b o t t o m u p 工艺，旨在从原子和分子的基础上合成细小的晶粒组织。 通常制备u f g 组织的方法有【4 0 】：快速凝固( r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ) 法、气相沉积( v a p o r d e p o s i t i o n ) 法、机械合金化( m e c h a n i c a la l l o y i n g ) 法、低温金属成形( c r y o g e n i cm e t a l f o r m i n g ) 法和严重塑性变形( 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 ) 法等，其中严重塑性变形被认 为最适于工业化生产【4 2 1 。近2 0 年来，开发了几种s p d 技术来制备具有u f g 组织的块材 和板材【3 9 ，4 3 _ 4 7 1 ，如等通道挤压( e q u a l c h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n p r e s s i n g ，e c a e p ) 、高压 扭转( h i g h - p r e s s u r et o r s i o n ，h p t ) 和多轴压缩锻造( m u l t i - a x i a lc o m p r e s s i o n s f o r g i n g ， m a c f ) 等技术用于制备块体材料的u f g 组织；累积叠j f l ( a c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g ，a r b ) 和连续剪切变形( c o n s h e a r i n gp r o c e s s ) 等技术用于制备具有u f g 组织的板带材。 1 5 2 累积叠轧焊技术原理 累积叠轧焊工艺最早是日本s a i t o 纠4 0 】于1 9 9 9 年前后提出来的，其工艺原理如图1 5 所示。累积叠轧焊是将表面进行脱脂及加工硬化等处理后的尺寸相等的两块金属薄板材 料，在一定温度下叠轧并使其自动焊合，然后重复进行相同的工艺反复叠轧焊合，从而 使材料的组织得到细化、夹杂物分布均匀，大幅度提高材料的力学性能。z f l 带u 是制备板 材最具优势的塑性变形工艺，然而随着材料厚度的减小，材料的总应变量受到限制。在 累积叠轧工艺中，材料可以反复轧制，累积应变可以达到较大值，在理论上能获得很大 的压下量，突破了传统轧制压下量的限制，并可连续制备薄板类的超细晶金属材料，因 此a r b - i - 艺被认为是剧变形工艺中惟一有希望能工业化生产大块超细晶金属材料的方 法。 东北大学硕士学位论文第一章绪 图1 5 累积叠焊实验过程示意图 f i g 1 5s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o ns h o w i n gt h ep r i n c i p l eo f t h ea c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g a r b 技术已被成功应用于纯铝、铝合金和无间隙钢( i n t e r s t i t i a lf r e e ，i f ) 及少量的变形 镁合金【3 5 ，4 2 1 制备中，其中a i 也铝合金包括纯铝( 11 0 0 ) 、a 1 m n ( 3 0 0 3 ) 、a 1 一m g ( 5 0 8 3 ) 、 a 1 m g s i ( 6 0 6 1 ) 、a 1 f e s i ( 8 0 11 ) 、a 1 c u 合金( a 1 2 c u ) 和铝基复合材料。 在累积叠轧焊时应对轧制温度和变形量加以控制。累积叠轧焊应避免在再结晶温度 t 进行，否则，在材料上产生的累积应变效应会被变形晶粒的再结晶所减弱。一般来说， 累积叠轧焊应在低于再结晶区的某个适宜的温度下进行。对累积叠轧焊来说，还存在一 个变形量的下限值，即产生足够结合强度的临界变形量。一般地，临界变形量随着轧制 温度的降低而提高。当轧制温度为o 5 t 时，只要工程应变大于5 0 时，就可以形成不 发生再结晶的、牢固的结合。 若初始薄板厚度为t 。，经过n 次循环后的厚度为t ： t 0 t2 百 ( 1 2 ) 2 n v 7 经过n 次循环后总的减薄量是： r t = 1 一i t = l - 当2 ( 1 3 ) t 0 “ l l j ， 应用v o nm i s e s 屈服准则，假设材料处于平面应变状态，没有宽展，则等效塑性应 变可表示为： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 _ 。意1 n 一砘8 n ( 1 4 ) 例如l m m 厚的薄板，经过7 次叠轧，板厚变为原来的1 1 2 8 ，厚度减小为7 1 8 岬， 总的减薄量达9 9 2 ，总的等效应变是5 6 ；若经过1 0 次叠轧焊，板厚变为原来的 1 1 0 2 4 ，则最终厚度是1 1 0 h m ，总减薄量达9 9 9 ，总的等效应变是8 0 。可见a r b 工 艺很容易实现大塑性变形，从而达到晶粒细化所需的大的应变量。 1 5 3 材料经累积叠轧焊后的特性 经累积叠轧焊的材料具备两个特性：( 1 ) 大塑性变形性。材料在低于再结晶温度条 件下经历多道次轧制，由于多道次累积塑性应变效应，使材料发生了采用一般技术难以 实现的大塑性变形，材料的组织发生了显著的变化。层错能较高的金属，在变形过程中 容易发生回复，形成超细晶粒；层错能较低的金属，在