大塑性变形制备纳米结构金属-

1、大塑性变形制备纳米结构金属魏伟,陈光3(南京理工大学金属纳米材料与技术联合实验室,江苏南京210094摘要:细化晶粒是改善材料性能的有效手段,传统的压力加工技术(如轧制、挤压、拉拔和锻造等可以细化晶粒(微米量级。纳米结构金属由于具有很小的晶粒尺寸(20500nm和独特的缺陷结构,从而表现出优异的物理2力学性能。大塑性变形(SPD具有将铸态粗晶金属的晶粒细化到纳米量级的巨大潜力,近年来已引起人们的极大关注。介绍了4种大塑性变形制备纳米结构金属的方法、原理、变形特点及应用,分析了纳米结构金属的强度和超塑性变形特征,以及当前研究中存在的主要问题,并对大塑性变形技术的应用前景进行了展望。关键词:材料加

2、工工程;纳米结构金属;大塑性变形;力学性能;超塑性中图分类号:T B383文献标识码:A文章编号:0258-7076(200303-0361-05纳米结构金属由于具有很小的晶粒尺寸(20 500nm和独特的缺陷结构(如通常含有大角度晶界1,从而表现出一系列优异的物理性能和力学性能。传统的压力加工技术(如轧制、挤压、拉拔等可以细化晶粒2,然而要想采用传统的塑性加工方法制备纳米结构金属,就必须获得很大的塑性变形3。由于大塑性变形具有将粗晶金属的晶粒细化到纳米量级的巨大潜力,已引起人们的极大关注46。近年来出现了一些大塑性变形工艺,如等径角挤压717(Equal Channel Angular Pr

3、essing, ECAP,高压扭转1923(High Pressure and T orsion, HPT,叠轧合技术2427(Accumulative Roll Bond2 ing,ARB,反复折皱2压直法29,30(Repetitive C or2 rugation and Straightening,RCS以及循环挤压31等。SPD技术不仅可以克服纳米粉末压制成形中存在的残余孔洞和界面污染,而且可以制备大尺寸块体纳米结构材料,这为研究纳米结构材料独特的物理、力学性能和变形机理提供了方便,也有利于纳米结构材料在工程构件中的应用。材料的制备工艺和过程对材料的微观结构和宏观性能具有重要影响,因

4、此纳米材料的制备技术是一个很重要的课题。本文主要介绍4种大塑性变形(SPD制备纳米结构金属的方法、原理及应用,分析了纳米结构金属的强度和超塑性变形特征,提出了当前研究中存在的问题,并对大塑性变形晶粒纳米化技术的应用前景进行了展望。1SPD技术SPD制备纳米结构金属是通过对铸态粗大晶粒的多次重复变形,从而将晶粒尺寸细化至纳米量级。采用SPD制备纳米结构金属必须考虑以下一些因素4:首先,获得具有大角度晶界的纳米结构是保证性能改善的先决条件;其次,试样整体上具有均一的纳米结构是保证性能稳定所必不可少的;第三,大塑性变形后,试样应无破损或开裂;尤其重要的是,要能够在相对较低的温度和高压下获得大的塑性应

5、变,原则上真应变需超过6 8。1.1等径角挤压20多年前Segal为获得纯剪切应变首先提出等径角挤压方法4,Valiev等3,7发现利用该方法可以使材料获得大应变从而有效细化晶粒。等径角挤压利用由两个相交的等径通道组成的挤压模具来使金属获得大的塑性剪切变形,试样变形前后的形状和尺寸不发生改变,因而可以进行多次挤压变形,增大变形量,其原理如图1(a所示8。每次挤压所获得的变形量与模具通道内的两个交角(内角,外角有关。当=90°,=0时,第27卷第3期Vol.27.3稀有金属CHINESE JOURNAL OF RARE MET ALS2003年5月May2003收稿日期:2002-03

6、-19;修订日期:2002-07-01基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK2001053作者简介:魏伟(1974-,男,江苏沛县人,博士研究生;研究方向:新材料加工技术与仿真3通讯联系人(E2mail:gchen 图1大塑性变形方法(a 等径角挤压;(b 高压扭转;(c 叠轧合技术;(d 反复折皱2压直法Fig.1Schematic illustration of several methods of severe plastic deformation每道次的真应变可以达到1.15。纳米结构金属的性能取决于等径角挤压过程中的塑性变形行为,这主要由挤压途径、挤压道次9,10、模具形状11,1

7、2、变形速率13,14和变形温度15等决定。目前,采用等径角挤压已经成功地制备了Al 和Al 合金9,10,Mg16,Cu 12,Ti 和Ti 合金17以及部分纳米结构钢铁材料。然而等径角挤压很难制备出尺寸超过20×20×100mm 的块体纳米结构金属,而且其操作过程是非连续性的。因此,要在工业上广泛利用等径角挤压制备纳米结构金属,开发等径角挤压的有效加工途径就十分迫切了。1.2高压扭转Bridgman18最早研究了静水压力对塑性变形的影响,后来高压扭转(图1(b 逐渐发展成为一种制备纳米结构材料的新方法。工件在压头与模具之间承受约几个GPa 的压力作用,同时由于下模的旋转

8、,工件还将受到剪切变形力,从而获得很大的塑性变形。最大剪切应变值可以用下式计算4:=2rN t。式中t 为工件的厚度,r 为工件的半径,N 为旋转圈数。尽管和r 存在线性关系,但是高压扭转可以制备结构均一的纳米金属、合金、复合材料和半导体器件,通常是直径1220mm ,厚度0.21mm 的圆片。目前,采用高压扭转已经成功地制备了Cu 19,20,Ni19,Ti21,Al 和Al 合金22,Ni 3Al ,Fe 3Al 和NiTi 金属间化合物22,23。由于不能制备体积更大的纳米结构材料,使得高压扭转的应用受到了限制。1.3叠轧合技术为了适应纳米结构材料的工业化生产,日本学者Saito 等提出

9、了一种新的制备纳米结构材料的大塑性变形方法叠轧合技术(Accumulative Roll 2Bonding ,ARB 2427。在ARB 中,轧制件经过多次裁剪、堆叠、轧制,由此获得大塑性变形,如图1(c 所示。经ARB 变形的Al 2Mg 合金(晶粒尺寸为280nm 的延伸率高达220%26;IF 钢(晶粒尺寸为420nm 的拉伸强度达到870MPa ,是原始材料强度的3倍多。此外,采用ARB 还可以制备块体纳米结构复合材料28。ARB 不仅可以连续生产大尺寸的纳米结构材263稀有金属27卷料,而且不需要特殊的专用设备。但是,ARB 生产的纳米结构材料的延展性还不是十分理想。1.4反复折皱2

10、压直法反复折皱2压直法(Repetitive C orrugation and Straightening ,RCS 是最近才出现的一种大塑性变形方法(图1(d 29。在不改变工件断面形状的情况下,工件经过多次反复折皱、压直后获得很大的塑性变形,从而使晶粒细化。变形途径、晶体结构和变形方式都有助于晶粒的细化30。目前对反复折皱2压直变形过程的晶粒细化机理、变形行为、材料的性能等问题的研究还很不充分。2力学性能经典的Hall 2Petch 关系式表示了晶粒尺寸(通常大于1m 与其强度、硬度之间的关系。大塑性变形制备的纳米结构金属不仅具有高强度,并且表现出一些异常的超塑性变形行为(低温或高应变速率

11、超塑性。2.1强度行为采用等径角挤压制备的纳米结构纯铜(晶粒尺寸为210nm 在室温下拉伸和压缩的真应力2真应变曲线如图2所示32。纳米结构纯铜的变形特征可以归纳如下:(1拉伸和压缩的应力2应变曲线相似;(2拉伸屈服应力高达390MPa ,流动应力接近500MPa ;(3应变硬化仅在变形开始阶段存在,随后的变形几乎不存在应变硬化;(4退火温度和时间明显地影响纳米结构纯铜的变形行为,强度不仅与晶粒尺寸有关,而且与晶界的非平衡结构有关。金属间化合物Fe 3Al 和TiNi 经高压扭转变形后由于纳米结构的产生,其拉伸强度高达14001600MPa ,并且具有延展性23。纳米结构材料独特的变形行为可能

12、与晶界的回复和变形机制的改变有关。等径角挤压纯铜时,1s 约有1个位错通过每个晶粒33,因此高的屈服应力不可能用位错塞积理论解释。最近,有人提出了位错弓出模型来解释纳米结构材料的力学行为33。该模型认为,变形开始阶段的应变硬化是由于位错密度从5×1014m -2增加到1×1015m -2,内应力的增加阻碍了位错的弓出,使得位错的产生变得困难,导致持续变形所需应力增加;另外,位错难以从非平衡晶界处萌生,也是造成屈服强度较高的原因之一。同时,拉伸应力的增加激活了晶界扩散,晶界回复程度增大,位错通过晶界滑移和晶界运动而被吸收,从而导致了稳态变形的出现。2.2超塑性超塑性是指在一定

13、条件下,以较小的应力无缩颈地获得很高的延伸率,通常变形温度为0.50.6,应变速率10-310-4s-1。超塑性应变速率可以表示为4: =AD G b K T (b d p (En。式中D 为晶界扩散系数;G 为剪切模量;b 为柏格斯矢量;K 为波尔兹曼常数;T 为变形温度;d 为晶粒尺寸;p 为晶粒尺寸指数;为流动应力;n 为应力指数。由上式可以看到,减小晶粒尺寸,可以获得低温或高应变速率超塑性, 这将对目前材料的图2纯铜(晶粒尺寸210nm 在室温下的真应力2真应变曲线(a 拉伸;(b 压缩Fig.2True stress 2strain curves of room 2temperatu

14、re compression tests for pure copper with mean grain size of 210nm3633期魏伟等大塑性变形制备纳米结构金属超塑性成形加工中存在的应变速率慢、变形温度高等问题的解决,具有重大的实际意义。McFadden等6利用高压扭转法制备的Ni3Al (晶粒尺寸50nm在450就表现出超塑性,而微米晶Ni3Al在650的延伸率仅有20%。在300时,Al25.5%Mg22.2%Li20.12%Zr获得了5×10-1 s-1的高应变速率22。Horita等34利用等径角挤压Al23%Mg22%Sc合金,在3.3×10-2s-

15、1的条件下获得了2280%的延伸率。Mishra等35还发现纳米结构的1420铝合金同时具有低温(250和高应变速率(1×10-1s-1超塑性。3问题与展望大塑性变形制备的纳米结构金属具有很多诱人的使用性能和发展前景,因而大塑性变形被认为是制备块体纳米结构材料最为有效的途径之一36。但是要在工业上广泛应用大塑性变形技术,还需要对以下问题进行更深入的研究:(1显微组织的演变,晶粒超细化机理的研究;(2纳米结构与性能(力学性能,物理性能等的关系;(3纳米结构的稳定性研究;(4模具设计、不同合金系的有效加工方式;(5大塑性变形过程中材料变形行为、变形机理的计算机模拟及控制;(6开发新的适合

16、工业化生产的大塑性变形工艺。大塑性变形制备纳米结构金属拓宽了传统塑性加工技术的应用领域,不仅使传统材料的性能获得大幅度的提高,还可以开发新材料,这有利于节省资源,保护环境,实现人类的可持续发展。参考文献:1Valiev R Z.Ultrafine2grained materials prepared by severe plas2tic deformationJ.Annales de Chimie,Science des Materiaux,1996,21(6-7:369.2Sevillano J G il,H outte P Van,Aernoudt E.Large strain w ork

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