大塑性變形制備納米結(jié)構(gòu)金屬-

1、大塑性變形制備納米結(jié)構(gòu)金屬魏偉,陳光3(南京理工大學金屬納米材料與技術(shù)聯(lián)合實驗室,江蘇南京210094摘要:細化晶粒是改善材料性能的有效手段,傳統(tǒng)的壓力加工技術(shù)(如軋制、擠壓、拉拔和鍛造等可以細化晶粒(微米量級。納米結(jié)構(gòu)金屬由于具有很小的晶粒尺寸(20500nm和獨特的缺陷結(jié)構(gòu),從而表現(xiàn)出優(yōu)異的物理2力學性能。大塑性變形(SPD具有將鑄態(tài)粗晶金屬的晶粒細化到納米量級的巨大潛力,近年來已引起人們的極大關(guān)注。介紹了4種大塑性變形制備納米結(jié)構(gòu)金屬的方法、原理、變形特點及應用,分析了納米結(jié)構(gòu)金屬的強度和超塑性變形特征,以及當前研究中存在的主要問題,并對大塑性變形技術(shù)的應用前景進行了展望。關(guān)鍵詞:材料加

2、工工程;納米結(jié)構(gòu)金屬;大塑性變形;力學性能;超塑性中圖分類號:T B383文獻標識碼:A文章編號:0258-7076(200303-0361-05納米結(jié)構(gòu)金屬由于具有很小的晶粒尺寸(20 500nm和獨特的缺陷結(jié)構(gòu)(如通常含有大角度晶界1,從而表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的物理性能和力學性能。傳統(tǒng)的壓力加工技術(shù)(如軋制、擠壓、拉拔等可以細化晶粒2,然而要想采用傳統(tǒng)的塑性加工方法制備納米結(jié)構(gòu)金屬,就必須獲得很大的塑性變形3。由于大塑性變形具有將粗晶金屬的晶粒細化到納米量級的巨大潛力,已引起人們的極大關(guān)注46。近年來出現(xiàn)了一些大塑性變形工藝,如等徑角擠壓717(Equal Channel Angular Pr

3、essing, ECAP,高壓扭轉(zhuǎn)1923(High Pressure and T orsion, HPT,疊軋合技術(shù)2427(Accumulative Roll Bond2 ing,ARB,反復折皺2壓直法29,30(Repetitive C or2 rugation and Straightening,RCS以及循環(huán)擠壓31等。SPD技術(shù)不僅可以克服納米粉末壓制成形中存在的殘余孔洞和界面污染,而且可以制備大尺寸塊體納米結(jié)構(gòu)材料,這為研究納米結(jié)構(gòu)材料獨特的物理、力學性能和變形機理提供了方便,也有利于納米結(jié)構(gòu)材料在工程構(gòu)件中的應用。材料的制備工藝和過程對材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能具有重要影響,因

4、此納米材料的制備技術(shù)是一個很重要的課題。本文主要介紹4種大塑性變形(SPD制備納米結(jié)構(gòu)金屬的方法、原理及應用,分析了納米結(jié)構(gòu)金屬的強度和超塑性變形特征,提出了當前研究中存在的問題,并對大塑性變形晶粒納米化技術(shù)的應用前景進行了展望。1SPD技術(shù)SPD制備納米結(jié)構(gòu)金屬是通過對鑄態(tài)粗大晶粒的多次重復變形,從而將晶粒尺寸細化至納米量級。采用SPD制備納米結(jié)構(gòu)金屬必須考慮以下一些因素4:首先,獲得具有大角度晶界的納米結(jié)構(gòu)是保證性能改善的先決條件;其次,試樣整體上具有均一的納米結(jié)構(gòu)是保證性能穩(wěn)定所必不可少的;第三,大塑性變形后,試樣應無破損或開裂;尤其重要的是,要能夠在相對較低的溫度和高壓下獲得大的塑性應

5、變,原則上真應變需超過6 8。1.1等徑角擠壓20多年前Segal為獲得純剪切應變首先提出等徑角擠壓方法4,Valiev等3,7發(fā)現(xiàn)利用該方法可以使材料獲得大應變從而有效細化晶粒。等徑角擠壓利用由兩個相交的等徑通道組成的擠壓模具來使金屬獲得大的塑性剪切變形,試樣變形前后的形狀和尺寸不發(fā)生改變,因而可以進行多次擠壓變形,增大變形量,其原理如圖1(a所示8。每次擠壓所獲得的變形量與模具通道內(nèi)的兩個交角(內(nèi)角,外角有關(guān)。當=90°,=0時,第27卷第3期Vol.27.3稀有金屬CHINESE JOURNAL OF RARE MET ALS2003年5月May2003收稿日期:2002-03

6、-19;修訂日期:2002-07-01基金項目:江蘇省自然科學基金項目(BK2001053作者簡介:魏偉(1974-,男,江蘇沛縣人,博士研究生;研究方向:新材料加工技術(shù)與仿真3通訊聯(lián)系人(E2mail:gchen 圖1大塑性變形方法(a 等徑角擠壓;(b 高壓扭轉(zhuǎn);(c 疊軋合技術(shù);(d 反復折皺2壓直法Fig.1Schematic illustration of several methods of severe plastic deformation每道次的真應變可以達到1.15。納米結(jié)構(gòu)金屬的性能取決于等徑角擠壓過程中的塑性變形行為,這主要由擠壓途徑、擠壓道次9,10、模具形狀11,1

7、2、變形速率13,14和變形溫度15等決定。目前,采用等徑角擠壓已經(jīng)成功地制備了Al 和Al 合金9,10,Mg16,Cu 12,Ti 和Ti 合金17以及部分納米結(jié)構(gòu)鋼鐵材料。然而等徑角擠壓很難制備出尺寸超過20×20×100mm 的塊體納米結(jié)構(gòu)金屬,而且其操作過程是非連續(xù)性的。因此,要在工業(yè)上廣泛利用等徑角擠壓制備納米結(jié)構(gòu)金屬,開發(fā)等徑角擠壓的有效加工途徑就十分迫切了。1.2高壓扭轉(zhuǎn)Bridgman18最早研究了靜水壓力對塑性變形的影響,后來高壓扭轉(zhuǎn)(圖1(b 逐漸發(fā)展成為一種制備納米結(jié)構(gòu)材料的新方法。工件在壓頭與模具之間承受約幾個GPa 的壓力作用,同時由于下模的旋轉(zhuǎn)

8、,工件還將受到剪切變形力,從而獲得很大的塑性變形。最大剪切應變值可以用下式計算4:=2rN t。式中t 為工件的厚度,r 為工件的半徑,N 為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。盡管和r 存在線性關(guān)系,但是高壓扭轉(zhuǎn)可以制備結(jié)構(gòu)均一的納米金屬、合金、復合材料和半導體器件,通常是直徑1220mm ,厚度0.21mm 的圓片。目前,采用高壓扭轉(zhuǎn)已經(jīng)成功地制備了Cu 19,20,Ni19,Ti21,Al 和Al 合金22,Ni 3Al ,Fe 3Al 和NiTi 金屬間化合物22,23。由于不能制備體積更大的納米結(jié)構(gòu)材料,使得高壓扭轉(zhuǎn)的應用受到了限制。1.3疊軋合技術(shù)為了適應納米結(jié)構(gòu)材料的工業(yè)化生產(chǎn),日本學者Saito 等提出

9、了一種新的制備納米結(jié)構(gòu)材料的大塑性變形方法疊軋合技術(shù)(Accumulative Roll 2Bonding ,ARB 2427。在ARB 中,軋制件經(jīng)過多次裁剪、堆疊、軋制,由此獲得大塑性變形,如圖1(c 所示。經(jīng)ARB 變形的Al 2Mg 合金(晶粒尺寸為280nm 的延伸率高達220%26;IF 鋼(晶粒尺寸為420nm 的拉伸強度達到870MPa ,是原始材料強度的3倍多。此外,采用ARB 還可以制備塊體納米結(jié)構(gòu)復合材料28。ARB 不僅可以連續(xù)生產(chǎn)大尺寸的納米結(jié)構(gòu)材263稀有金屬27卷料,而且不需要特殊的專用設(shè)備。但是,ARB 生產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)材料的延展性還不是十分理想。1.4反復折皺2

10、壓直法反復折皺2壓直法(Repetitive C orrugation and Straightening ,RCS 是最近才出現(xiàn)的一種大塑性變形方法(圖1(d 29。在不改變工件斷面形狀的情況下,工件經(jīng)過多次反復折皺、壓直后獲得很大的塑性變形,從而使晶粒細化。變形途徑、晶體結(jié)構(gòu)和變形方式都有助于晶粒的細化30。目前對反復折皺2壓直變形過程的晶粒細化機理、變形行為、材料的性能等問題的研究還很不充分。2力學性能經(jīng)典的Hall 2Petch 關(guān)系式表示了晶粒尺寸(通常大于1m 與其強度、硬度之間的關(guān)系。大塑性變形制備的納米結(jié)構(gòu)金屬不僅具有高強度,并且表現(xiàn)出一些異常的超塑性變形行為(低溫或高應變速率

11、超塑性。2.1強度行為采用等徑角擠壓制備的納米結(jié)構(gòu)純銅(晶粒尺寸為210nm 在室溫下拉伸和壓縮的真應力2真應變曲線如圖2所示32。納米結(jié)構(gòu)純銅的變形特征可以歸納如下:(1拉伸和壓縮的應力2應變曲線相似;(2拉伸屈服應力高達390MPa ,流動應力接近500MPa ;(3應變硬化僅在變形開始階段存在,隨后的變形幾乎不存在應變硬化;(4退火溫度和時間明顯地影響納米結(jié)構(gòu)純銅的變形行為,強度不僅與晶粒尺寸有關(guān),而且與晶界的非平衡結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬間化合物Fe 3Al 和TiNi 經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)變形后由于納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,其拉伸強度高達14001600MPa ,并且具有延展性23。納米結(jié)構(gòu)材料獨特的變形行為可能

12、與晶界的回復和變形機制的改變有關(guān)。等徑角擠壓純銅時,1s 約有1個位錯通過每個晶粒33,因此高的屈服應力不可能用位錯塞積理論解釋。最近,有人提出了位錯弓出模型來解釋納米結(jié)構(gòu)材料的力學行為33。該模型認為,變形開始階段的應變硬化是由于位錯密度從5×1014m -2增加到1×1015m -2,內(nèi)應力的增加阻礙了位錯的弓出,使得位錯的產(chǎn)生變得困難,導致持續(xù)變形所需應力增加;另外,位錯難以從非平衡晶界處萌生,也是造成屈服強度較高的原因之一。同時,拉伸應力的增加激活了晶界擴散,晶界回復程度增大,位錯通過晶界滑移和晶界運動而被吸收,從而導致了穩(wěn)態(tài)變形的出現(xiàn)。2.2超塑性超塑性是指在一定

13、條件下,以較小的應力無縮頸地獲得很高的延伸率,通常變形溫度為0.50.6,應變速率10-310-4s-1。超塑性應變速率可以表示為4: =AD G b K T (b d p (En。式中D 為晶界擴散系數(shù);G 為剪切模量;b 為柏格斯矢量;K 為波爾茲曼常數(shù);T 為變形溫度;d 為晶粒尺寸;p 為晶粒尺寸指數(shù);為流動應力;n 為應力指數(shù)。由上式可以看到,減小晶粒尺寸,可以獲得低溫或高應變速率超塑性, 這將對目前材料的圖2純銅(晶粒尺寸210nm 在室溫下的真應力2真應變曲線(a 拉伸;(b 壓縮Fig.2True stress 2strain curves of room 2temperatu

14、re compression tests for pure copper with mean grain size of 210nm3633期魏偉等大塑性變形制備納米結(jié)構(gòu)金屬超塑性成形加工中存在的應變速率慢、變形溫度高等問題的解決,具有重大的實際意義。McFadden等6利用高壓扭轉(zhuǎn)法制備的Ni3Al (晶粒尺寸50nm在450就表現(xiàn)出超塑性,而微米晶Ni3Al在650的延伸率僅有20%。在300時,Al25.5%Mg22.2%Li20.12%Zr獲得了5×10-1 s-1的高應變速率22。Horita等34利用等徑角擠壓Al23%Mg22%Sc合金,在3.3×10-2s-

15、1的條件下獲得了2280%的延伸率。Mishra等35還發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的1420鋁合金同時具有低溫(250和高應變速率(1×10-1s-1超塑性。3問題與展望大塑性變形制備的納米結(jié)構(gòu)金屬具有很多誘人的使用性能和發(fā)展前景,因而大塑性變形被認為是制備塊體納米結(jié)構(gòu)材料最為有效的途徑之一36。但是要在工業(yè)上廣泛應用大塑性變形技術(shù),還需要對以下問題進行更深入的研究:(1顯微組織的演變,晶粒超細化機理的研究;(2納米結(jié)構(gòu)與性能(力學性能,物理性能等的關(guān)系;(3納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究;(4模具設(shè)計、不同合金系的有效加工方式;(5大塑性變形過程中材料變形行為、變形機理的計算機模擬及控制;(6開發(fā)新的適合

16、工業(yè)化生產(chǎn)的大塑性變形工藝。大塑性變形制備納米結(jié)構(gòu)金屬拓寬了傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的應用領(lǐng)域,不僅使傳統(tǒng)材料的性能獲得大幅度的提高,還可以開發(fā)新材料,這有利于節(jié)省資源,保護環(huán)境,實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。參考文獻: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

17、hardening and texturesJ.Progress in Materials Science,1980,25(2-4:69.3Valiev R Z,K orznikov A V,Mulyukov R R.Structure andproperties of ultrafine2grained materials produced by severe plasticdeformationJ.Mater.Sci.Eng.,1993,A168:141.4Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov I V.Bulk nanostruc2tured mate

18、rials from severe plastic deformationJ.Progress inMaterials Science,2000,45(2:103.5Schiotz J,Francesco D Di T olla,Jacobsen K arsten W.S often2ing of nanocrystalline metals at very small grain sizesJ.Na2 ture,1998,391:561.6McFadden S X,Mishra R S,Valiev R Z,et al.Low2tempera2ture superplasticity in

19、nanostructured nickel and metal alloysJ.Nature,1999,398:684.7Valiev R Z,K rasilnikov N A,Tsenev N K.Plastic deformationof alloys with submicron2grained structureJ.Mater.Sci.Eng.,1991,A137:35.8Iwahashi Y,Wang J,H orita Z,et al.Principle of equal2chan2nel angular pressing for the processing of ultrafi

20、ne grained materi2 alsJ.Scripta Mater.,1996,35(2:143.9Iwahashi Y,H orita Z,Nem oto M,et al.An investigation of mi2crostructural evolution during equal2channel angular pressingJ.Acta Mater.,1997,45(11:4733.10Iwahashi Y,H orita Z,Nem oto M,et al.The process of grainrefinement in equal2channel angular

21、pressing.Acta Mater., 1998,46(9:3317.11Suh J Y,K im a H S,Park J W,et al.Finite element analysisof material flow in equal2channel angular pressingJ.Scripta Mater.,2001,44(4:677.12Huang W H,Chang L,K ao P W,et al.E ffect of die on thedeformation texture of copper processed by equal channel angular ex

22、trusionJ.Mater.Sci.Eng.,2001,A307(12:113. 13Y amaguchi D,H orita Z,Nem oto M,et al.Significance of adia2batic heating in equal2channel angular pressingJ.Scripta Ma2 ter.,1999,41(8:791.14Fagin P N,Brown J O,Brown T M,et al.Failure m odes dur2ing equal channel angular extrusion of aluminum alloy2024J.

23、Metall.Mater.Trans.,2001,32A(7:1869.15Y amashita A,Y amaguchi D,H orita Z,et al.Influence ofpressing temperature on microstructural development in equal2 channel angular pressingJ.Mater.Sci.Eng.,2000,A287(1:100.16Mabuchi M,Iwasaki H,Y anase K,et al.Low temperature su2perplasticity in an AZ91magnesiu

24、m alloy processed by ECAE J.Scripta Mater.,1997,36(6:681.17DeLo D P,Semiatin S L.H ot w orking of T i26Al24V via equalchannel angular extrusionJ.Metall.Mater.Trans.,1999, 30A(9:2473.18Bridgman P W.Studies in Large Plastic Flow and FractureM.New Y ork:McG raw2Hill,1952.19Alexandrov I V,Valiev R Z.X2r

25、ay ananlysis of bulk nanostruc2tured metalsJ.Mater.Sci.Forum,2000,321-324:577.20Jiang H,Zhu Y T,Butt D P,et al.Microstructural evolution,microhardness and thermal stability of HPT2processed CuJ.Mater.Sci.Eng.,2000,A290(12:128.21Zhang K,Alexandrov I V,Valiev R Z,et al.Structural charac2terization of

26、nanocrystalline copper by means of X2ray diffraction463稀有金屬27卷J .J.Appl.Phys.,1996,80(10:5617.22Islamgaliev R K ,Valiev R Z ,Mishra R S ,et al.Enhanced su 2perplastic properties in bulk metastable nanostructured alloys J .Mater.Sci.Eng.,2001,A304-306(12:206.23Valiev R Z ,Mukherjee A K.Nanostructures

27、 and unique prop 2erties in intermetallics subjected to severe plastic deformation J .Scripta Mater.,2001,44(89:1747.24Saito Y ,Utsunomiya H ,Tsuji N ,et al.Novel ultra 2high strain 2ing process for bulk materials :development of the accumulative roll 2bonding process J .Acta Mater.,1999,47(2:579.25

28、Saito Y ,Tsuji N ,Utsunomiya H ,et al.Ultra 2fine grained bulkaluminum produced by aacumulative roll 2bonding process J .Scripta Mater.,1998,39(9:1221.26Tsuji N ,Shiotuki K ,Saito Y ,et al.Superplasticity of ultra 2finegrained Al 2Mg alloy produced by accumulative roll 2bonding J .Mater.Trans.,J IM

29、,1999,40(8:765.27Tsuji N ,Saito Y ,Utsunomiya H ,et al.Ultra 2fine grained bulksteel produced by accumulative roll 2bonding process J .Scripta Mater.,1999,40(7:795.28Lee S H ,Sakai T ,Saito Y ,et al.Strengthening of sheath 2rolled Aluminum based MMC by the ARB process J .Mater.Trans.,J IM ,1999,40(1

30、2:1422.29Zhu Y T ,Lowe T C ,Jiang H ,et al.Method for Producing Ul 2trafine 2grained MaterialsusingRepetitiveC orrugationandStraightening ,USP6197129,2001.30Zhu Y T ,Lowe T C.Observations and issues on mechanisms ofgrain refinement during ECAP process J .Mater.Sci.Eng.,2000,A291(12:46.31Zughaer H J

31、,Nutting J.Deformation of sintered copper and50Cu 250Fe mixture to large strains by cyclic extrusion and com 2pression J .Mater.Sci.Tech.,1992,8(12:1104.32G ertsman V Y ,Valiev R Z ,Akhmadeev N A ,et al.Deforma 2tion behavior of ultrafine 2grained materials J .Mater.Sci.Fo 2rum ,1996,225-227:739.33V

32、aliev R Z ,K ozlov E V ,Ivanov Y F ,et al.Deformation be 2havior of ultra 2fine 2grained copper J .Acta Mater.,1994,42(7:2467.34H orita Z ,Furukawa M ,Nem oto M ,et al.Superplastic formingat high strain rates after severe plastic deformation J .Acta Ma 2ter.,2000,48(14:3633.35Mishra R S ,McFadden S

33、X ,Valiev R Z ,et al.Deformatiommechanisms and tensile superplasticity in nanocrystalline materials J .JOM ,1999,51(1:37.36Roco M C ,Lowe T C ,K rebs M.Nanomaterials from promise toproduction J .Advanced Materials &Processes ,2001,159(8:42.Processing N anostructured Metals by Severe Plastic DeformationWei Wei ,Chen Guang 3(Joint L aboratory