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广西大学硕士论文等径角挤压工艺制备块体a l t i b 台金超细晶材料的组织研究 等径角挤压工艺制备块体a i t i b 合金超细晶材料的组织研究 摘要 a l t i b 中间合金是一种高效的铝及铝合金晶粒细化剂，具有细化效果好，成本低 和易控制等优点。但目前国内外在a l t i b 的质量方面还存在着不足，如a 1 t i b 中的 化合物( t i a l 。t i b ：) ，晶粒尺寸较大，使其所含化合物的形核潜能远远未发挥出来。 而等径角挤压变形( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r o c e s s i n g ，简称e c a p ) 是2 0 世 纪9 0 年代初制备块体超细晶材料的一种有效新工艺。e c a p 法是通过使材料在等径通 道拐角处受到大变形量的剪切变形，从而细化晶粒，获得亚微米级或纳米级的显微 组织结构。 因此，采用b c a p 法制备a l t i b 合金块体超细晶材料，不仅可以细化a l t i b 合金 晶粒，而且可以大大提高a 1 t i b 合金材料的晶粒细化性能和力学性能，从而拓宽a 1 t i b 合金的应用范围。 本文在充分分析国际上e c a p 变形方面现有研究成果的基础上，研究不同工艺参 数对组织细化的影响，在此基础上计算了室温下a l t i b 合金试样的变形抗力，设计 制造试验用等径角挤压模具；随后利用自行设计的挤压模具，对a l t i b 合金试样进 行了室温下的变形试验，运用x 射线衍射仪、金相显微镜和扫描电镜等先进的微观 分析手段研究形变前后a l t i b 合金微观结构的变化，探讨晶粒细化的一般过程，进 一步系统研究了a 1 t i b 合金在e c a p 变形过程中的剪切特征、微观组织演变和性能特 点；最后分析影响晶粒细化的因素，并对在e c a p 变形路径b c 中a l t i b 合金的细化 机理进行了探讨。 关键词：等径角挤压( e c a p )超细晶工艺路线显微组织剪切模式 性能特点细化机理 弋 广西大学硕士论文 等径角挤压工艺制备块体 l t i b 合金超细晶材料的组织研究 s t u d y 洲t h em i 嘲r u c t u 旺0 f 刚u ( i _ t r f i n 嘲l n 印 a l tj b u o y 姒t e r i a l sp r e p ：a r 印b ye 叫a lc h 圳旧 心a r a b s t r a c t t h ea 1 t i b 啮s t e ra 1 1 0 yi sag o o dk i n do fg r a i nr e f i n e rf o ra 1 u i n i t l ma n d i t sa l l o y s m o r e o v e r ，i ti sl o wc o s ta n de a s i l yc o n t r 0 1 l e d b u tt h e r ea r es 伽e p r o b l 鲫s1 r i t ht h eq u a l i t yo ft h e a l t i b s t e ra 1 1 0 yi nt h ew o r l da t p r e s e n t ，f o re x 锄p l et h e1 a r g es i z eo ft i a l 3a n dt i b 2w h i c he x i s ti nt h ea 1 t i b 船s t e ra o ya ss e c o n dp h a s e sw il lr e d u c ee f f e c to fr e f i n e r e q u 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 ) t e c h n i q u eh a sb e e np r o v e dt ob e a 1 1e f f e c t i v em e t h o df o rt h ef a b r i c a t i o no fv a r i o u sb u l ku l t r a f i n e g r a i n e d 衄t e r i a l s1 9 9 0 s t h es a 呻1 ec a no b t a i nm i c r o no rn a i l o s t r u c t u r e d m i c r o s t r u c t u r eb ys u b j e c t e dt oi n t e n s ep l a s t i cs t r a i n i n gi nad i ef o re c a p b ye ( ： pt e c h n i q u e ， t h ea l t i bn i a s t e ra l l o ym a t e r i a l s霄i l lo b t a i n u l t r a f i n eg r a i na sw e l la sg o o de f f e c to fr e f i n e e n ta n d 皿e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i 、c a pt e c h n i q u ew il la 1s op r o m o t et h ee x t e n s i v ea p p li c a t i o no f a l t i b 腿s t e ra 1 1 0 y 。 b a s e do nn e wr e s e a r c hr e s u l to fe c a pd e f o r m a t i o ni nw o r l d ，t h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n tp a r a 功e t e r so nm i c r o s t r u c t u r eg r a i nr e f i n e rw a si n v e s t i g a t e d t h ed e f o r m a t i o nf o r c ew a sc a l c u l a t e d a n dt h ed i ef o re c a pw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d s u b s e q u e n t l y ，i nt h i se x p e r i m e n t t h ea 1 t i b 腿s t e ra 1 1 0 y 腿t e r i a l sw e r ed e f o r m e di nt h ed i ef o re c a p t h ec o u r s eo fg r a i nr e f i n e r ， s h e a rc h a r a c t e r i s t i c ，m i c r o s t r u c t u r ee v 0 1 u t i o na n dp r o p e r t yc h a r a c t e r i s t i c o ft h ea 1 t i b 腿s t e ra 1 1 0 ym a t e r i a l sw e r er e s e a r c h e db yx r a yd i f f r a c t i o n l i i 曼苎璺堡j 燮 蔓堡塑堑堡三兰型墨堡壁! ! ! ! ! 盒垒垫墅曼塑塾箜墨塑塞 d i v i c e ，o p t i e a lm i c r o s c o p e8 n ds c a ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e f i n a l l y ，t h e f a c t o r s8 f f e c t i n gg r a i nr e f i n e m e n ta n dt h er e f i n i r l g 硼e c h a n i s mo f 矗l t i b m 8 s t e ra l l o ye x t r u d e di nr o u t eb co fe c a pw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l k e y w o r d s ：e ( ：a p ， u l t r a _ 一f i n eg r a i n ，p r 。c e 8 s i n gr o u t e ，m i c r o s t r u c t u r e 。 s h e 对c h a r 8 c t e r i s t i c ，w o p e r t yc h a r a c t e r i s t i c ， r e i n i n g 日l e c h 8 n i s m 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制备块体 1 t i b 合金超细晶材料的组织研究 1 1引言 第一章绪论 进入2 l 世纪后，随着世界经济社会的发展，人类面对着日益严重的资源短缺问 题，特别是钢铁和有色金属等资源的日益减少。因此，不断地提高这些材料的综合性 能、充分有效地利用它们为人类服务，已成为我们材料研究者的重大责任。材料的性 能不仅取决于材料的成分，更决定于材料的组织构成。材料研究者们发现，通过细化 材料组织的方法，可以在提高材料强度的同时改善其塑性、得到具有优良综合性能的 材料一一超细晶材料。超细晶材料包括直径为亚微米级和纳米级的细晶材料，亚微米 材料的晶粒直径小于1um ，纳米材料一般指晶粒尺寸小于1 0 0m 的单晶或多晶体。 这两种材料的性能相似，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。超细晶材料按其结构通常分为以下四种：晶粒尺寸在三个方向均为亚微米以下 的三维超细晶材料；具有层状结构的二维超细晶材料；具有纤维状结构的一维超细晶 材料；具有原子簇和原子束结构的零维超细晶材料。根据h a l l p e c c h 公式i 啦】： os = oo + k d 坛 ( 1 1 ) ( 其中os 为屈服强度，d 晶粒直径，oo 为一常数，大体相当于单晶体的屈服强 度，k 表征晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关) ，可知晶粒平均直径d ( 即 晶粒尺寸) 越小，金属的变形抗力、抗拉强度和金属硬度越大；同时，晶粒尺寸越小， 塑性越好，韧性指数也越高。所以，目前对材料进行超细晶化加工的研究具有非常广 阔的前景，它包括使材料的晶粒超大化和晶粒超小化两个方面，即定向凝固单晶化和 采用各种加工方法使材料晶粒超细化或纳米化。当材料晶粒细化到亚微米级或纳米级 时，材料的性能将发生质的飞跃。对于晶粒尺寸在亚微米级或纳米级的超细晶材料， 其晶粒极细，组织中大量原子处于晶粒之间亚稳态晶界上或亚晶结构中小角度晶界 上，因而表现出一系列不同寻常的物理性能( 如德拜温度、居里温度、弹性模量、磁 性、扩散系数等) 、高强度高塑性的力学性能和较低温度下的高应变速率加工超塑性 【3 卅。这些优点使它兼具了良好的成型性能和服役中良好的力学性能，而且一旦形成 批量生产，其成本相对较低。 而块体超细晶材料是超细晶材料的重要组成部分，制备高质量、三维大尺寸的块 广西大学硕士论文 等径角挤压工艺制备块体a 1 t i b 合金超细晶材料的组织研究 体超细晶材料是实现超细晶材料大范围应用的关键。因此，块体超细晶材料的研究倍 受关注，一系列块体超细晶材料的制备技术相继被提出来，包括惰性气体蒸发冷凝原 位加压法、高能机械球磨法、非晶材料晶化法和强塑性变形法等。 1 2 块体超细晶材料制备技术的概况 对于超细晶材料的制备方法，理论上任何能制造出精细晶粒尺寸多晶体的方法都 可用来制造超细晶材料。这些方法可大致分为“两步过程”和“一步过程”两类。“两 步过程”是将预先制各的孤立超细晶颗粒固结成块体材料，其中“惰性气体蒸发冷凝 一原位加压法”最具代表性。“一步过程”则是将外部能量引入或作用于母体材料， 使其产生相或结构转变，直接制备出块体超细晶材料。诸如，高能机械球磨法、非晶 材料晶化法和强塑性变形法等。 1 2 1 惰性气体蒸发冷凝一原位加压法 如图1 2 【_ 7 8 】，惰性气体蒸发冷凝一原位加压法的原理是在高纯度惰性气氛( a r ， h e ) 下，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒，把超 细微粒刮入漏斗并导入模具，经过低压压实装置轻度压实后，再在高压下原位加压， 压制成块体超细晶材料。 这种方法是由德国科学家h v g 1 e i t e r 教授【7 _ 9 1 首先提出的，他在1 9 8 4 年采用 这种方法成功地制取了纯物质的块体纳米材料，并提出了纳米晶的概念。该方法的主 要制备装置由蒸发源、液氮冷却系统、收集系统及原位加压成形( 烧结) 系统组成，它 的制备过程是：首先在含有高纯惰性气体的超高真空室中，使材料加热蒸发，气相原 子遇到h e 原子后冷凝成小晶体，再通过热对流输运到液氮冷却的旋转冷指表面上， 形成疏松的粉末，收集后的粉末在低压( 1 0 巧l o 币p a ) 下压制成块体材料。室温时典 型金属粉末的单向成形压力为1 5 g p a ，获得样品的相对密度约8 5 。若在同样压力 下加热( 约1 0 0 ) 固结，可使密度提高至9 7 ，晶粒小于2 0 n m l 埘。这种方法产生 的主要杂质是n 、h 、o 等轻元素，总含量约为1 5 ( 原子百分比) 。目前采用这种方 法已经成功地制备了p d ，a g ，f e ，j i 【g ，s b ，c u ，t i a l ，n i 3 a 1 ，n i a l ，f e 5 s i 9 5 等块 体纳米材料。该方法的特点是适应范围广、微粉颗粒表面洁净、很少团聚成粗团聚体， 因此所得到的块体纯度高。但这种方法不易获得大的产量和大的试样，所用设备昂贵 4 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 复杂、制备工艺复杂并要求很高。另外所形成的粉体产量极低，很难满足性能研究及 应用的需要。 f 匮孤、l 黛枣畿 辨 i空，董 c 1 黉壤 i 国主 | ：霪鎏i 融；农 萋瓣l 毒。冀： i 1 睽i 。 i 婶? 0 1 蠹。 - 一i 蠢煳 一 零鬻辫 1 _ i 赢翌强露 。叠i 娄 i l l 黧鬟” 妻 期 靠 i 叫 n ”暖。 i i 囊黼鞣j 。 j 毫： ! f 一搽戮酶j y “稿 童 嚣鬻疆 i _ 。_ l ： 卜f ! _ j 1 1 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒再经压延、压合、又碾碎、再压合的反复过 程( “冷焊一粉碎一再冷焊”的反复进行) ，最后即可获得组织和成分分布均匀的合金 粉末。因为该方法是利用机械能达到合金化，因此把利用高能球磨来制各合金粉末的 方法称为机械合金化( m e c h a n i c a l a l l o y i n g ) 。这种方法的特点是能够通过固态反应形 成非、准晶、过饱和固溶体等一系列非平衡材料1 7 ，1 8 1 ，可以实现金属粉末的超细晶结 构化1 圳。它主要借助严重塑性变形使粗晶分解成超细晶结构，因此，用它可以制各 出常规熔炼与铸造技术无法获得的合金及复合材料。研究表明，非晶、准晶、纳米晶、 超硬材料、稀土永磁材料、超塑性合金、轻金属高比强合金、金属问化合物等都可以 通过这种方法合成。如1 9 8 8 年s h i n g u 首先报道了用机械合金化法制备晶粒小于l o 瑚 的a 卜f e 合金叫。 该方法的优点：合金基体成分不受限制、成本低、产量大、工艺简单，特别是在 难熔金属的合金化、非平衡相的生成、开发特殊用途合金等方面显示出较强的活力。 该方法在国外已经进入实用化阶段，但该方法也存在一些缺点：其晶粒尺寸分布不均 匀，容易引入杂质，使其容易受到污染，容易发生氧化和形成应力。此外，该方法还 存在另一个问题：如何将球磨形成的超细晶粉末固结成接近理论密度的块体材料。因 此，用这种方法很难得到洁净的、无微孔隙的块体超细晶材料。 1 2 3 非晶材料晶化法 非晶材料晶化法是以非晶态材料为母体，用晶化( c r i s t a l l i z a t i o n ) 处理( 如 退火) 控制晶体的形核与生长，即通过控制非晶态固体的晶化动力学过程，使材料的 结构由非晶态部分或完全转变成超细晶结构。它由非晶态固体的获得和晶化过程两部 分组成。非晶态固体可以通过熔体冷却、固态反应法、高速直拉溅射等方法获得，其 中最常用的是单辊或双辊旋淬法。但以上方法只能获得非晶粉末、丝、条带等低维材 料，因此还需结合热模压实、热挤压或高温、高压烧结等方法来合成块状试样。而晶 化过程可采用等温退火、分级退火、脉冲退火、激波诱导等方法来实现。目前，通 过非晶晶化的方法已经制备出n i 、f e 、c a 、p d 等基的合金系列的纳米晶体、金属间 化合物和单质半导体纳米晶体，并已发展到实用阶段。例如，完全非晶的a 卜n i y 合金在等温退火后，形成弥散分布的a a 了粒子( 约2 0 n m ) 与溶质原予富集的非晶 基体组成的纳米复合材料吲。利用“闪退火”方法，即将金属玻璃条带通过短时脉冲 广西大学硕士论文 等径角挤压工艺制各块体 l t i b 合金超细晶材料的组织研究 电流，产生焦耳热使超细晶形成，如f e s i b 基合金吲和f e n i s i b 合金【2 4 1 。卢柯等人口5 】 通过使用单辊急冷法将n i 8 0 p 2 0 的熔体制成非晶态合金条带，在不同温度退火使非晶 带晶化成有纳米晶构成的n i _ p 合金条带。非晶材料晶化法最主要的优越性在于制成 的材料内没有微孔隙，没有污染，晶粒尺寸变化范围大，而且能够低成本，大批量地 生产。另外，该法可以制成界面类型( 共格、半共格及非共格) 不同的模型纳米材料， 其局限性是仅适用于在化学成分上能够形成非晶的材料，即它依赖于非晶态固体的获 得，只适用于非晶化能力较强( 成核激活能小、晶粒长大激活能大) 的非晶合金材料。 由于目前大块非晶难以制备，所以采用非晶晶化法制备大尺寸的块体纳米材料也比较 困难。 1 2 4 强塑性变形法 强塑性变形方法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 是在准静态压力作 用下使材料自身发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细化到亚微米级或纳米数 量级的一种制备块状超细晶材料的方法。2 0 世纪9 0 年代初，俄罗斯科学家r z v a l i e v 等人2 啦刀发现采用纯剪切大变形方法可获得亚微米级晶粒尺寸的纯铜组织，而强塑性 变形法亦由此发展起来。目前，强塑性变形法已成为制备块体超细晶材料工艺的研究 热点，这不仅仅是因为超细晶材料本身所具有的独特的物理和力学性能，更重要的是 强塑性变形法与其他制备方法相比，具有许多独特的优点。比如，它具有适用范围宽， 可制造大体积试样，试样无残留缩松、缩孔，不易引入杂质；可方便地利用扫描电镜 详细研究其组织结构及晶粒中的非平衡边界层结构，非常有利于研究其组织与性能的 关系等；而且可采用多种变形方法制备界面清洁的超细晶材料，是今后制备块状超细 晶材料很具有工业应用前景的一种方法。 金属材料在较低温下强烈变形可以使其晶粒得到明显细化，例如挤压、轧制和拉 丝等。但这些方法所形成的材料的微观结构通常是带有小角度倾斜晶界的结构而强 塑性变形方法是在低温大应力条件下变形实现材料的超细化，材料微观结构特征是大 角晶界的超细晶结构。因此，采用强塑性变形方法制备块体超细晶材料除了对模具、 设备、变形工艺等有严格要求外，还需要考虑以下三个方面：能够在材料内部获得具 有大角度晶界的超细晶粒结构，以获得材料性能发生质的变化；整个样品内部组织结 构要求均匀，以获得稳定的材料性能；样品在大塑性变形过程中不产生机械损伤或裂 广西大学硕士论文 等径角挤压工艺制各块体a l t i b 台金超细晶材料的组织研究 纹，以使变形得以继续进行。 目前，制备块体超细晶材料的强塑性变形方法主要有以下几种：反复折皱一压直 法( 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 简称r c s 法) 、多次锻造法( m u l t i p l e f o r g i n g 简称m f 法) 、反复压轧注( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n gp r o c e s s 简称a r b p 法) 、等径角挤压法( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g 简称e c a p 法) 和高压扭转变 形法( s e v e r ep l a s t i cf o rt o r s i o ns t r a i n i n gu n d e rh i g hp r e s s u r e 简称s p t s 法) 。 1 2 4 1 反复折皱一压直法( r e p e t i t j 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 曲 反复折皱一压直法( r c s ) 是在不改变工件横截面几何形状的情况下，经过多 次弯曲变形将晶粒尺寸细化到亚微米级或纳米量级，因此它是一种以弯曲变形方式制 备块体超细晶结构金属材料的大塑性变形工艺方法。它的原理是将低温试样反复在模 具中压弯、在平砧间压直，每道次弯曲平直间试样转动9 0 。，试样的应变量可以用 弯曲平直道次数来计。r c s 变形过程分为两个部分【2 8 】： ( 1 ) 折皱 工件在两个齿形模具的压力作用下发生弯曲变形，经严重的弯曲交形，工件成为 波纹状； ( 2 ) 压直 用两个平直的台板将波纹状工件进行压直处理，可以重新获得与先前几何形状一 致的工件。多次重复上述两个步骤，就可以获得块体纳米结构金属。k c s 变形的基本 原理如图l 一2 所示： p “ l 雕l 燃m 脚鞠 li1 图l 一2r c s 变形基本原理示意 f i g 卜2s c h e m a t i cd i a g ra i i l o ft h eb a s i cp r i c i p l eo fr c sd e f o 珊a t i o n 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体 l t i b 合金超细晶材料的组织研究 反复折皱一压直法制备块体超细晶结构金属的优点是：( 1 ) 块体超细晶结构金 属的界面无污染，无孔洞；( 2 ) 块休超细晶结构金属的尺寸和形状不受限制：( 3 ) 易 于实现工业化生产。所以，r c s 作为大塑性变形制备超细晶结构金属的一种新方法， 它能够使材料的性能获得大幅度的提高，有利于节省资源。如纯铜棒经过1 4 次r c s 循环变形后，平均晶粒尺寸达到2 0 5 0 0 咖，出现了大角度晶界，其微观硬度值达到 1 3 9 5 士9 m p a ，是未变形前硬度值( 6 7 8 士s m p a ) 的两倍口8 捌。据金属材料的屈服强度 值约为其微观硬度值的1 3 的估算，r c s 变形后纯铜棒的屈服强度大约增加了一倍f 2 9 】。 同时用齿形轧辊替换传统轧辊，r c s 方法就能在现有轧制设备上实现工业化【3 0 j ”。因 此，反复折皱一压直法( r c s ) 是最有希望快速进入工业化生产超细晶结构金属的有 效方法之一。 1 2 4 2 多次锻造法“u i t i p i ef o r g i n d 如图l 一3 所示，多次锻造法( 眦l t i p l ef o r g i n g ) 实际上是自由锻操作的多次重 复，即镦粗和拔长的组合。 多次锻造法是一种自由锻工艺，一般锻造前试徉需加热，锻造温度为o 1 0 5 t m 。2 0 世纪9 0 年代初俄罗斯科学院的s a l i s h c h e v 等p 2 捌对多次锻造法进行了 一些改进：首先，对试样进行热机械变形以获得细晶组织；其次，对试样进行超塑性 变形以提高组织的均匀性；最后，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超细晶组织。 三砂丽| 图l 一3 多次锻造法( m u l t i p l ef o r g i n g ) 变形示意图 f i g 卜3s c h e m a t i cd i a g r a i i lo ft h ed e f o 珈a t i o ni n 哪l t i p l ef o r g i n g 他采用这种方法对脆性较大的t i a l 材料进行细化，获得了晶粒尺寸为1 0 0 n m 的 t i a l 块体材料3 2 1 。后来，又制得了晶粒尺寸为6 0 n m 的t i _ 6 a 卜3 2 m o 块体材料。 9 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 锻造法的变形温度较高而作用在工具上的负载较低，所以通过选取适当的变形温度一 应变速率，就可以获得最小的晶粒尺寸，甚至可以在相当脆的材料中获得纳米级的超 细晶结构。所以，目前多次锻造法已广泛地用于许多合金的微观结构的细化，包括 t i 及其合金、a 1 合金、m g 合金、n i 合金等。 1 2 4 3 重复压缩一轧制法( c y c i i cc 唧r e s s i o n _ r o | ii n 曲 重复压缩一轧制法是通过将层厚为数十微米的金属多层材料重复地进行压缩和 轧制处理，来制备纳米级金属多层材料料的一种工艺方法。它的主要过程是：首先将 原来几十微米厚的金属箔相互叠加起来，在一定温度的真空中压缩后进行真空退火； 然后在室温下逐渐轧制成薄片，并切割成同样大小，以备下一次叠加、压缩和轧制： 经过多次压缩和轧制后，就可以得到块体超细晶材料。目前，上海交通大学的黄斌、 京都大学的石原庆一等人【蚓已经采用这种方法成功地制备出了平均层厚为1 8 珊的纳 米级多层金属材料，其试样的拉伸强度高达1 5 0 0m p a 以上，延伸率为0 8 左右。 1 2 4 4 高压扭转变形法( s e v e r ep l a s t i cf o rt o r s i o ns t r a i n i n gu n d e rh i g hp r e s s u r e ) 鲁v 1 0 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 在高压扭转变形过程中，由于固定容积的支撑体限制了样品宏观上的形状改变， 尽管冲头作用在样品上引入大应变速率，但是高压扭转变形法处理后的大变形样品并 没有产生裂纹等破坏。这种方法制备的纳米晶体样品一般为圆片状，直径介于1 0 2 0 啪之间，厚度约为0 2 o 5 砌。 试样的变形量可以由冲头转动的圈数来控制，其变形量可用下面的公式来计算 口习 。等n q ) 式中n 为冲头转动圈数，r 为即试样中心的距离，l 为试样厚度。 由公式1 2 可以知道，圆盘形试样中的变形量在径向上是有梯度的，圆盘中心 的变形量为o 。然而，在实际试样中的变形是均匀的。由于加工过程中试样的厚度是 变化的，因此( 1 2 ) 式仅具有参考意义。大量的试验证明压头扭转1 2 转之后，试 样的内部微观结构就己经发生了显著的变化，进一步的扭转挤压可以使试样获得均匀 的超细晶组织结构。 目前，高压扭转变形法在加工脆性材料方面具有优势，比如金属间化合物和半导 体材料等d 8 】。高压扭转变形法可以将n i 3 a 1 ，f e 3 a l 和n i t i 等金属间化合物的晶体 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3 9 1 ，这说明h p t 细化晶 粒的能力非常强，是一种非常有效的制备块体超细晶结构材料的方法。 1 2 4 5 等径角挤压法( e q u a lc h a n n e la n g u i a rp r e s s j n g ) 等径角挤压法的研究进展概况将于下面的1 3 节详细阐述，在此略过。 1 3 等径角挤压工艺的研究进展概述 细化合金晶粒的方法有合金化，热处理等，而气相沉积、机械合金化、快速凝固和 大塑性变形等方法可以得到超细晶粒组织的合金。其中大塑性变形法是使合金经受剧 烈的塑性变形，使晶粒破碎、扭转，经过回复和再结晶后细化晶粒，如锻造、轧制、高 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制备块体a 1 t i b 合金超细晶材料的组织研究 压扭转变形、等径角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l ”p r e s s i n g ，简称e c a p ) 等。 近年来，等径角挤压工艺受到了特别的关注。e c a p 法是在2 0 世纪8 0 年代初， 前苏联科学家s e g a l 等【4 0 1 在研究钢的变形织构和微观结构时，为获得纯剪切变形而 开发出来的。利用该技术不改变材料三维尺寸的特点，可对材料进行多次加工从而获 得特殊的变形织构。进入2 0 世纪9 0 年代初，r z v a l i e v 教授等人【4 1 4 2 】把这种方法 发展成为制备块体超细晶材料的一种新工艺。 e c a p 法是通过使材料在等径通道拐角处受到大变形量的剪切变形，从而细化晶 粒，获得亚微米级或纳米级的显微组织结构。与其他制备超细晶材料的方法相比， e c a p 法具有如下优点：它避免了高能球磨法研磨中可能带入的杂质以及超细微粉冷 压合成法制备的超细晶材料中存在的大量微空隙、致密性差等问题【5 一。 而e c a p 法与传统的金属材料塑性加工工艺相比，它在变形过程中材料的横截面 面积和截面形状不改变，因此可经反复挤压得到所要求的应变量，获得均匀、显著细 化的晶粒组织。 1 3 2 等径角挤压工艺的原理 e c a p 法是在不改变材料横截面的情况下，使材料获得很大的塑性剪切变形。该 法能够使材料形成超细晶组织结构，主要是它能符合以下条件网： ( 1 ) 它应该能够在材料内部获得大角度晶界的超细晶粒结构。因为只有这样，所获 得的材料在性质上才会有质的的变化。 ( 2 ) 在整个试样中的超细晶结构应该是均匀的。这是获得稳定的性能所必需的。 ( 3 ) 在经过很大的塑性变形后，不能产生机械损坏或裂纹。 e c a p 挤压模具内出口通道和进口通道横截面形状相同，横截面面积相等，两通 道轴线以一定角度相交，两通道的内交角为中，外接弧角为v 。在e c a p 挤压过程中， 在冲头的压力p 的作用下，与模具中的通道尺寸紧密配合并与模壁润滑良好的试样被 向下挤压，在通道转角处产生局部大剪切变形，得到很大的应变量。通过位错的重新 排列，试样内产生亚晶分割原始晶粒，在挤压过程中亚晶界不断高角化，从而获得超 细晶粒结构。e c a p 的基本原理如图l 所示，其变形有如下特点：属于纯剪切变形； 变形区很小，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；能实现 强烈塑性变形，通过多道次变形，实际的等效真应变可以达到很高水平；通过控制相 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体a 1 t i b 台金超细晶材料的组织研究 邻道次间试样的旋转角度，可以控制试样三维上变形的方向。 图卜5 等径角挤压( e c a p ) 的基本原理示意图 f i g 卜5s c h e m a t i cd i a g r 鲫o ft h eb a s i cp r i n c i p l eo fe c a p 在试样与模壁完全润滑的条件下，等径角挤压产生的总应变量取决于挤压次数 n 、两通道的内角和外接弧角v 的大小。 s e g a l 等学者最早给出了在不考虑摩擦条件下的总应变量( 占) ： s ：华c o t 册妒 ( 1 3 ) 8 2 万。毗册妒 ( 1 3 ) 式中n 为挤压道次，此时v = o 。、中= 2 妒。 后来，1 w a h a s h i f 4 3 1 等学者考虑了外接弧角t p 的影响，提出了修正后的总应变量公 式： 旷等 2 c o 碍+ 湖c 詈+ 剀a ， 当v = o 。、中= 2 p ，时，方程( 卜4 ) 等价于方程( 卜3 ) 。目前，公式( 卜4 ) 的应用较 常见，采用坐标网格法试验( 除样品两端部外) m 1 和二维有限元分析【4 5 1 都证实了该公 式的正确合理性。 由公式( i 一4 ) 可知材料通过模具挤压后的等效应变量随着两通道的内角垂和外 接弧角w 变化的情况，如表卜1 所示。 由表卜1 可以看到，当外接弧角、i j = o 。，内角中等于9 0 4 、1 0 5 。、1 2 0 。、1 3 5 。 时，每道次的应变量分别为1 1 5 、o 8 9 、0 6 7 和0 4 8 ；当内角中一定时，随着外接 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制备块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 弧角掣增大，应变量不断减小，如内角中= 9 0 。时，外接弧角从d 。增大到9 0 。 时，每道次的应变量从1 1 5 减小到o 9 1 。由此发现，当内角中= 9 0 。，外接弧角w = 0 。时，等效应变量最大，但此时容易形成死区，而当外接弧角v 等于或大于2 0 。时， 就可以避免死区的产生。 表卜l 挤压模角中、v 对每次剪切应变量e 的影响 t a b 1 1t h ee f f e c to fa n 9 1 e 中a n da n 酿e 1 i ，o ne f f e c t i v es t r a i n 内角中外接弧角v应变量e 道次 ( e q 2 ) o 。1 1 5 9 0 。3 7 。 o 9 9 9 0 。o 9 1 0 。0 8 9 1 0 5 。4 5 。0 7 8 6 0 。0 7 6 0 。0 6 7 1 2 0 。 4 4 。0 6 1 6 0 。o 6 0 o 。0 4 8 1 3 5 。2 2 。o 4 6 4 5 。0 4 5 1 3 3 等径角挤压工艺的工艺路线 许多研究者发现，e c a p 的工艺路线对e c a p 材料的显微组织和性能有很大的影响。 1 3 3 1 工艺路线的种类 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，可以把 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体 l t i b 合金超细晶材料的组织研究 e c a p 的工艺路线分为以下四种【6 】： a ： 每道次挤压后，试样不旋转，直接进行下一道次挤压： b a ：每道次挤压后，试样交替方向旋转9 0 。进行挤压； b c ：每道次挤压后，试样按同一方向旋转9 0 。进入下一道次； c ： 每道次挤压后，试样旋转1 8 0 。进行下一道次挤压。 四种工艺路线如图l 一6 所示。 蕊臆溉 溉熟 图1 6 等通道转角挤压的工艺路线示意图 f i g 1 6s c h e a t i cd i a g r a mo ft h ep r o c e s s i n gr o u t e si ne c a p 1 3 3 2 不同工艺路线中试样微观组织的变化和结构特征 在使用e c a p 法反复挤压过程中，晶粒细化的一般过程为阳： 首先，粗大晶粒被粉碎成一系列具有小角度界面的亚晶，亚晶沿着一定方向拉长 形成带状组织，亚晶带宽度般为几微米或亚微米； 然后，亚晶被继续破坏，开始出现部分具有大角度界面的等轴晶组织； 最后，亚晶带消失，显微组织主要为具有大角度晶界的等轴晶组织，晶粒位向差随 剪切变形量的增加而增大。 根据上述晶粒细化过程，在此对四种工艺路线中试样微观组织的变化和结构特征 进行如下分析： a 方式由于在同一方向上剪切变形逐渐增大，可以获得片状晶粒； b a 和bc 方式由于每道次剪切面互相垂直，可以获得纤维状结构； 广西大学硬士论文等径角挤压工艺制备块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 c 方式由于剪切面一定，但剪切方向在两道次间更迭，可以获得等轴晶。 由此可见，采用不同的加工路径，可以改变试样内的剪切平面和剪切方向，进而 对试样微观组织演化和晶粒细化产生影响。目前，一些学者如1 w a h a s h 等【4 7 】和 p r a n g n e l l 等【5 1 】对此进行了研究，却得出了不同的看似矛盾的实验结果。 在中= 9 0 。时，1 w a h a s h 等【47 4 8 】对纯铝研究了不同工艺路线( a 、b c 、c ) 的影 响，认为bc 路线比a 、c 路线具有更快更好的晶粒细化效果；l a n g d o n 等【4 9 1 认为各工 艺路线的晶粒细化效果为bc c a 或b a ；0 h i s h i 【5 0 】等则对b a 、b c 路线进行了对 比实验，认为b c 比b a 更有效。f u r u k a w a 掣引1 对此进行了如下解释：如图4 ( 挤压 试样方向示意图) 和图5 ( 挤压变形示意图) 所示，路线b c 、c 比路线a 、b a 更有 效是因为以路线b c 挤压4 n ( n 为整数) 道次，以路线c 挤压2 n 道次时，单元立方 体都恢复原状；而以路线a 、b a 挤压时，单元立方体则不断加剧畸变。而b c 路线 的挤压效果优于c 路线的原因是：在以c 路线挤压的过程中z 面没有剪切变形，而在 以路线b c 挤压的过程中，虽然每4 次挤压后，变形的菱柱体回复成立方体，但是由 于在这4 次变形中，x ，y ，z 平面上的晶粒都发生了剪切，而且由于剪切方向的两重 性，在多次挤压时显微组织沿两组独立的且又相互交叉的平面发展，这导致了界面结 构快速演变成一系列大角度界面的等轴晶，有利于晶粒的细化和形成等轴晶。 图卜7 挤压方向不意图 彤吕 卜7s c h 鲫a t i cd i a g r 蛐o ft h ee x t n 】t i o nd i r e c t i o n 但是，当巾= 1 2 0 。时，p r a n g n e l l 等嗍使用高分辨电子背散射衍射方法研究了 a 卜3 一o 2 z r o 2 f e 合金经过四次挤压时各工艺路线对晶粒细化效果的影响，得出 的结果却是：路线a 的晶粒细化效果最好，其次是bc 、b a ，路线c 最差。对这个结 果的解释是【5 3 ，5 4 ，5 5 】：路线a 的细化效果最好，是因为它没有产生多余的应变；路线c 细化效果最差是由于每次挤压试样总是在相同的剪切面上发生剪切，只是每相邻道次 之间的剪切方向相反，前次变形产生的前一挤压道次产生的剪切应变被紧接着的下 一道次抵消，产生了多余的应变，前面形成的显微组织和织构亦被消除；在路线b c 中，相隔的道次产生的应变相互抵消，如第一道次产生的应变被第三道次产生的应变 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制各块体a l t i b 合金超细晶材料的组织研究 抵消，而第二道次产生的应变则被第四道次产生的应变所抵消。这很好地解释了面心 立方的铝合金在中= 1 2 0 。时各工艺路线对晶粒细化效果的影响，但是无法解释没有产 生多余应变的路线b a 为何比路线的bc 的细化效果差。 n u m b e ro fp r e s s i n g s r o u t ep i a n e o12 34567 8 口 口 一一一一一一一 y 口z = 多7 ；= ；一一一一 z口 口口口 口口 口口口 x口口 吣 、 b a y 口z ：乡7 z 多；7 ；7 一，一；一一一 z 口口z 多7 、 口 口 口 口口口口 b c y口口口口口 z口口口口口 x 口 口口口口口口口 口 cy口口口口口 z口 口口口口口口口口 图卜8 挤压变形示意图 f i g 1 8s c h e m a t i cd i a g r 鲫o ft h ee x t r u t i o nd e f o m a t i o n 对于上两种实验结果，1 w a h a s h i 等h 7 ，5 q 和n e m o t o 等【5 刀进一步考虑了e c a p 过程 中各工艺路线挤压时相邻道的剪切面位向关系变化，认为在这些剪切面上的亚晶是促 进晶粒细化的关键因素，随着剪切应变量增加，亚晶的位相差逐渐增大，最后亚晶会 变成具有大角度晶界的晶粒，实现晶粒的细化。它虽然解释了铝及铝合金在中= 9 0 。 时，e c a p 过程中各路线细化效果的大小，但却无法解释中= 1 2 0 。时的情况。 目前，z h u 等【5 8 】较好地解释了在不同的中角下e c a p 中各工艺路线的细化效果大 小，他们认为在研究各工艺路线的细化效果时，除了考虑剪切应变量外，还要考虑剪 切面、晶体结构和变形织构等因素的作用。如图6 【5 5 1 和表1 所示，相邻挤压道次间 剪切面的夹角随中角和工艺路线的不同而变化。可以看到，在中= 9 0 。时路线b c 相 邻挤压道次间剪切面的夹角u 为6 0 。，而当中= 1 2 0 。时路线a 的剪切面夹角u 也为 1 7 广西大学硕士论文等径角挤压工艺制备块体a 1 t i b 合金超细晶材料的组织研究 6 0 。 图卜9 不同工艺路线的剪切面( a ) 中= 9 0 。时( b ) o ：1 2 0 。时 f i g 卜9s h e 眦t i cd i a g r 锄o fs h e a rs t r a i np l a n e sf o rv a r i o u se c a pr o u t e sf o rd i e s w i t h ( a ) 中= 9 0 。( b ) o = 1 2 0 。 表卜2e c a p 的不同工艺路线中相邻挤压道次间剪切面的夹角u t a b 卜2t h ea i l g l e ( u ) b e t w e e nt w oa d j a c e n te c a ps h e a rs t r a i np l a n e sf o rv a r i o u se c a p r o u t e s