大塑性變形制備塊體超細(xì)晶材料的概述

大塑性變形技術(shù)(SPD)制備塊體

超細(xì)晶/納米晶材料的概述摘要：從制備塊體超細(xì)晶/納米晶角度引出了大塑性變形技術(shù)，重點(diǎn)概述了等徑角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、累積疊軋焊等技術(shù)；同時(shí)分析了SPD材料的強(qiáng)度與超塑性等性能特征，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展做出了展望。關(guān)鍵詞：超細(xì)晶；大塑性變形；等徑角擠壓；高壓扭轉(zhuǎn)；超塑性前言根據(jù)晶粒尺度的不同，通常將材料分為：粗晶材料(晶粒大于lym)；超細(xì)晶材料(晶粒大小在O.lym到lym之間)；納米晶材料(晶粒小于lOOnm)⑴。晶粒大小是影響多晶金屬材料性能的重要因素，由亞微米級(jí)晶粒組成的超細(xì)晶/納米晶金屬材料由于具有很小的晶粒尺寸和獨(dú)特的缺陷結(jié)構(gòu)，在室溫下不僅具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而且還具有良好的塑性和韌性，在一定的溫度范圍內(nèi)還具備超塑性，在磁性材料、催化劑、半導(dǎo)體等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，制備大尺寸、無(wú)污染、無(wú)微孔隙且晶粒尺寸細(xì)小均勻的塊體超細(xì)晶/納米晶材料一直是人們研究的熱點(diǎn)。機(jī)械化合金加壓成塊法、電沉積法、非晶晶化法和劇烈塑性變形(SeverePlasticDeformation,SPD)等都可以制備塊體超細(xì)晶/納米晶材料,其中SPD被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑之一⑵。SPD具有強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化能力，可以直接將材料的內(nèi)部組織細(xì)化到亞微米乃至納米級(jí)，其主要的變形方式是剪切變形。組織細(xì)化的主要目的在于［3］：1)充分挖掘材料的潛能，獲得滿足軍事和日益發(fā)展的航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)高韌材料的需求；2)在較高溫度下提高材料的超塑性能力，以提高零件的生產(chǎn)效率和開(kāi)拓難變形材料如鎂合金等的加工制備新途徑。Valiev教授認(rèn)為，采用SPD方法制備超細(xì)晶／納米結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)該滿足多項(xiàng)條件［4］：1)大塑性變形量；2)相對(duì)低的變形溫度；3)變形材料內(nèi)部承受高壓。在這些原則的指導(dǎo)下，大塑性變形工藝得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一系列的制備工藝：等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、往復(fù)擠壓(CEC)、累積軋制(ARB)、大擠壓比擠壓(HRE)、超音噴丸(USSP)等。大塑性變形技術(shù)2.1等徑角擠壓(ECAE)ECAE技術(shù)最早是在80年代初期由Sgeal等人⑸提出，用以獲得材料的純剪切變形；90年代后該技術(shù)主要制備納米晶和超細(xì)晶材料。與傳統(tǒng)的塑性成形工藝相比，ECAE技術(shù)有其特殊性：一方面，因?yàn)镋CAE技術(shù)使用模具的工作部分是互相交錯(cuò)成一定角度且橫截面積相等的兩個(gè)擠壓通道，因而在樣品的橫截面積不發(fā)生改變的前提下，可以實(shí)現(xiàn)同一樣品的重復(fù)擠壓引入更大的塑性應(yīng)變量；另一方面，采用ECAE技術(shù)能夠?qū)⒉牧系木Я＝M織細(xì)化到微米、超細(xì)晶甚至納米晶范圍。ECAE變形雖然具備有強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒的能力，但是一般只能制備晶粒尺寸為lym左右，極限大約在0.7pm左右的鎂合金，且ECAE變形后雖然鎂合金塑性改善較為明顯，但是合金的屈服強(qiáng)度卻有所下降，這是因?yàn)樵贓CAE擠壓過(guò)程中所形成織構(gòu)對(duì)材料的弱化作用超過(guò)了晶粒細(xì)化的強(qiáng)化作用，而且晶粒細(xì)化又激活了更多滑移系的結(jié)果［6］。等徑角擠壓的原理如圖1所示，每次擠壓所獲得的變形量與模具通道內(nèi)的兩個(gè)交角(內(nèi)角外角屮)有關(guān)。當(dāng)?=90。，屮=0°時(shí)，每道次的真應(yīng)變可以達(dá)到1.15［7］。等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)(ECAE)的特點(diǎn)在于：1)可以制備大體積試樣；2)常見(jiàn)有3種不同的擠壓路徑，采用的擠壓試樣橫截面為圓形或方形，直徑或方形對(duì)角線一般不超過(guò)20mm；3)可以加工塑性差的材料，需采用較高溫度或者較大的轉(zhuǎn)角；4)不能連續(xù)變形，但可以通過(guò)設(shè)計(jì)成U形和L形循環(huán)等通道擠壓來(lái)改善。等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)也被成功地應(yīng)用于塑性變形能力較差的鎂合金上。Mabuchi等⑻利用等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝研究AZ91鎂合金，成功開(kāi)發(fā)出低溫超塑性，在200°C(0.5%Tm)得到661%的高變形量。Die屮passedsample丿PlungerISamplePlungerDie屮passedsample丿PlungerISamplePlungerSample圖1等通道角擠壓原理圖2.2高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)是大塑性變形技術(shù)(SPD)中研究較早且較深入的工藝方法，也是發(fā)展較為迅猛的技術(shù)之一，其基本原理如圖2所示。構(gòu)件在沖頭與模具之間承受幾千個(gè)兆帕的壓力作用，由于模具的旋轉(zhuǎn)和摩擦力的共同作用，導(dǎo)致構(gòu)件受強(qiáng)烈剪切變形力作用，使得構(gòu)件盡管產(chǎn)生大應(yīng)變塑性變形而不發(fā)生破裂。HPT技術(shù)可以用來(lái)制備組織結(jié)構(gòu)均一的納米金屬、合金、復(fù)合材料和半導(dǎo)體器件,它的特點(diǎn)在于［6］：1)構(gòu)件多為盤(pán)狀，尺寸較小，直徑一般在10~20mm之間，厚度在0.2~0.5mm之間；2)具有強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化能力，可以獲得分布均勻的納米級(jí)組織結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸可達(dá)到100nm以內(nèi)；3)工藝參數(shù)可調(diào)，可以方便地調(diào)整累積應(yīng)變，施加壓力和變形速度等。Wadsack等⑼采用高壓扭轉(zhuǎn)工藝加工純鉻，將初始晶粒尺寸80pm細(xì)化到50~500nm,對(duì)細(xì)晶材料的硬度測(cè)試表明，細(xì)晶材料的硬度是沒(méi)有變形的相同材料的4倍。高壓扭轉(zhuǎn)工藝的缺點(diǎn)也很顯而易見(jiàn)，GPa級(jí)的高壓要求使得該工藝對(duì)模具的要求很高；而且在如此高壓下，難以制備出大尺度的塊體超細(xì)晶材料,使得高壓扭轉(zhuǎn)的應(yīng)用受到了很大限制［10］。累積疊軋焊(AccumulativeroHbonding,ARB)是由日本大阪大學(xué)SAITO等[11首]次提出并逐步發(fā)展起來(lái)的一種變形方法。目前，由于ARB工藝易于在傳統(tǒng)軋機(jī)上實(shí)現(xiàn)，制備的板材具有層壓復(fù)合鋼板的特性，因此可用于各種材料的制備中。其原理是一個(gè)材料的不斷堆疊和軋焊的過(guò)程(見(jiàn)圖3)。在該過(guò)程中，首先將一塊原始板材有序地放置于另一塊板材上面，通過(guò)傳統(tǒng)軋焊加工使板材軋焊在一起，在必要的時(shí)候?qū)Χ褜又g進(jìn)行表面處理以提高其結(jié)合強(qiáng)度，然后從中間板材剪開(kāi)分成兩部分，再將這兩部分進(jìn)行表面處理、堆疊，然后進(jìn)行循環(huán)軋焊[12]。整個(gè)過(guò)程需在低于再結(jié)晶溫度的高溫條件下進(jìn)行，若溫度過(guò)高易使材料出現(xiàn)再結(jié)晶，將抵消疊軋過(guò)程中所產(chǎn)生的累積應(yīng)變；若在較低溫條件下則將導(dǎo)致延展性及結(jié)合強(qiáng)度的下降。軋制是制備板材最具優(yōu)勢(shì)的塑性變形工藝，但隨著壓下量的增加，材料尺寸相應(yīng)減小，材料的總應(yīng)變量將受到限制。在ARB加工過(guò)程中，當(dāng)每次軋制壓下量維持在50%的時(shí)候，板材軋制過(guò)程中產(chǎn)生的寬度變化可以忽略因而可獲得高塑性應(yīng)變并保持材料的幾何形狀不發(fā)生變化。然而，由于在軋焊過(guò)程中產(chǎn)生極大的累積塑性應(yīng)變，導(dǎo)致板材尤其是多次循環(huán)軋焊后產(chǎn)生邊緣裂紋。目前，采用ARB工藝加工的材料大多為具有較好延展性及塑性變形能力的金屬材料，比如純鋁、銅及鐵，通過(guò)ARB工藝對(duì)這些材料可制備出超細(xì)晶材料，同時(shí)不出現(xiàn)任何裂紋。除上述一些常用SPD工藝外，還有一些其他SPD工藝方法在各種金屬中也得到實(shí)際應(yīng)用。往復(fù)擠壓(CyclicExtrusionCompression,CEC)技術(shù)也屬于大塑性變形技術(shù)，可用來(lái)制備亞微米級(jí)超細(xì)晶材料。往復(fù)擠壓是在有縮頸區(qū)的擠壓筒中放入坯料，一側(cè)沖頭進(jìn)入擠壓筒時(shí)，另一側(cè)沖頭靜止不動(dòng)，坯料通過(guò)縮頸區(qū)時(shí)先經(jīng)擠壓后經(jīng)過(guò)壓縮，隨后坯料在另一側(cè)沖頭作用下被反向壓回，完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程［6］。坯料經(jīng)反復(fù)擠壓和壓縮后，塑性變形程度很大，因此可以得到超細(xì)晶甚至納米晶組織，其基本原理如圖4所示。Die圖4往復(fù)擠壓原理圖多向鍛造(Multipleforging,MF)是20世紀(jì)90年代提出的對(duì)塊狀試樣加工成形獲得超細(xì)晶組織的一種新型方法。該技術(shù)的原理等同于多次自由鍛造過(guò)程，即依次沿不同的軸向鍛壓材料，在變形過(guò)程中晶粒因發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而得到細(xì)化，其原理如圖5所示。材料在鍛造過(guò)程中由于不同鍛造區(qū)域材料變形的不均勻性導(dǎo)致MF工藝制備的材料存在組織不均勻現(xiàn)象，其均勻性均低于等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形和高壓扭轉(zhuǎn)變形的，然而該工藝的變形溫度通常在O.lTm?0.5Tm(Tm為金屬熔點(diǎn))之間。由于變形溫度較高，并可在用具上施加較小壓力，因而此方法可用于脆性材料，并在合適的溫度和應(yīng)變速率條件下可獲得到超細(xì)晶結(jié)構(gòu)［12］。圖5多向鍛造工藝示意圖SPD金屬材料的力學(xué)性能3.1強(qiáng)度和延展性一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論是通過(guò)從成分變化、熱機(jī)械加工還是通過(guò)相變等方法所獲得的具有高強(qiáng)度的材料，其延展性往往出現(xiàn)相應(yīng)下降的現(xiàn)象。盡管如此，與常規(guī)變形工藝相比，如軋制、沖壓和擠壓等，金屬材料經(jīng)SPD工藝變形后其延展性能的降低程度卻相對(duì)較小。在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，部分材料經(jīng)SPD工藝獲得的超細(xì)晶金屬結(jié)構(gòu)材料不僅增強(qiáng)了強(qiáng)度，其延展性能也得到提高。目前，對(duì)于SPD工藝變形材料的強(qiáng)度和延展性能均得到提高的具體原因做出如下三種相關(guān)解釋[13]第一種解釋認(rèn)為：即隨著應(yīng)變量的增加，非平衡晶界及大角度晶界的含量不斷增加，這些具有大角度晶界的超細(xì)等軸晶粒將阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料強(qiáng)度；同時(shí)，當(dāng)非平衡晶界不斷出現(xiàn)時(shí)，滑移相對(duì)變得容易，并由于晶界滑移和晶格轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生的趨勢(shì)增加從而導(dǎo)致隨后主要變形機(jī)制發(fā)生改變，一般認(rèn)為粗大晶粒的主要變形機(jī)制為位錯(cuò)蠕變，而超細(xì)晶粒的主要變形機(jī)制則為晶界滑移，晶界滑移及晶格轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)生均可提高材料的延展性能；第二種解釋則認(rèn)為由于晶粒尺寸呈納米晶超細(xì)晶的雙峰式分布狀態(tài)使材料的延伸性能都得到提高；第三種解釋是基于納米結(jié)構(gòu)金屬體內(nèi)形成第二相顆粒從而提高材料的強(qiáng)度和延展性能，這些第二相顆?？蓪?duì)應(yīng)變過(guò)程中的剪切帶傳播進(jìn)行修改，從而提高合金的延展性能。3.2超塑性超塑性是指晶體材料在受到拉伸應(yīng)力時(shí)，顯示出很大的伸長(zhǎng)率而不產(chǎn)生縮頸與斷裂現(xiàn)象，其伸長(zhǎng)率一般大于100%，有些材料的伸長(zhǎng)率甚至可達(dá)到1000%。通常情況下，具有良好超塑性材料的晶粒尺寸小于10pm并在高于0.5Tm(Tm為材料熔點(diǎn))高溫條件下成形。而晶粒尺寸作為超塑性材料的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料的超塑性變形有著重要的作用。近年來(lái)，劇塑性變形方法已廣泛應(yīng)用于Al、Mg、Cu和Ti等金屬材料，并取得到了良好的超塑性。SPD金屬材料的超塑性變形，一方面由于金屬材料經(jīng)SPD變形可獲得超細(xì)晶粒。另一方面則是合金經(jīng)SPD變形后可得到更高含量的大角度晶界。晶界是晶界滑移和超塑流變的先決條件，大角度晶界含量的增加有利于更多的晶界參與晶界滑移和超塑流變[14]?？偨Y(jié)與展望綜上所述，劇烈塑性變形是一種有效的制備超細(xì)晶乃至納米晶結(jié)構(gòu)材料的方法，SPD材料表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能、獨(dú)特的物理和化學(xué)性能、優(yōu)異的超塑性，已廣泛應(yīng)用于各種金屬材料的制備中。但目前多數(shù)SPD方法可加工的工件尺寸往往很小，并且需要大功率的設(shè)備及昂貴的模具，導(dǎo)致其難以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如ECAP和HPT工藝；另外，一些SPD方法存在工件在變形過(guò)程中出現(xiàn)疲勞裂紋的問(wèn)題，如ARB。因此，仍需對(duì)SPD技術(shù)的制備工藝、細(xì)晶結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性展開(kāi)深入細(xì)致的研究，實(shí)現(xiàn)技術(shù)可操作化、成本低廉化及產(chǎn)業(yè)化。SPD作為一種較為新興的制備超細(xì)晶材料技術(shù)，必將在塑性加工領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn)：ValievRZ.Nanomaterialadvantage[J].Nature,2002,419:887.吳春凌，葉邦彥.劇烈塑性變形法制備塊體納米材料的研究與發(fā)展[J].材料熱處理技術(shù),2009,38(22):88-91.陳勇軍，王渠東，彭建國(guó)等.大塑性變形制備細(xì)晶材料的研究、開(kāi)發(fā)與展望[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(4):77-79.ValievRZ,IslamgalievRK,AlexandrovIV.Bulknanostructuredmaterialsfromsevereplasticdeformation[J].ProgressinMaterialsScience,2000,45(2):103-189.SegalVM,ReznikovVI,DrobysheskiAE.PlasticMetalWorkingbySimpleShear[J].Metally,1981,1:99-105.房娃.超細(xì)晶Mg-3A1-Zn合金制備及塑性變形行為[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文,2011.魏偉，陳光.大塑性變形制備塊體納米材料[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(7):1-4.MabuchiM,IwasakiH,YanaseK.Lowtemperaturesuperp1asticityinanAZ91magnesiuma11oyprocessedbyECAE[J].ScriptaMateria1ia,1997,36(6):681-686.WadsackR,PippanR,Sched1erB.Structura1refinementofchromiumbyseverep1asticdeformation[J].FusionEngineeringDesign,2003,66-68:265-269.汪明亮.強(qiáng)塑性變形方法的改進(jìn)及超細(xì)晶純鋁應(yīng)變速率敏感性研究[D].上海:上海交通大學(xué)碩士論文,2007.TSUJIN,SAITOY,LEESH,MINAMINOY.ARB(accumu1ativero11-bonding)a