1、一畫糍 有色合金及壓鑄大塑性變形材料及變形機制研究進展路君,靳麗,曾小勤,丁文江(上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心,上海200030摘 要:大塑性變形技術(SPD具有將鑄態粗晶金屬的晶粒細化到納米量級的巨大潛力。 綜述了SPD技術的分類、優勢及其存在問題;介紹了材料在SPDhv工過程中的組織轉變特點, 指出如果超塑性成形能夠在鎂合金等中得到成功的應用,則可大大拓寬其實際應用領域;描述 了SPD細化鋁、鎂、鈦等合金后的微觀組織、塑性變形機制與力學性能,最后對大塑性變形技 術的應用前景進行了展望.關鍵詞:大塑性變形;鋁;鈦;鎂合金;微觀組織;力學性能;變形機制中圖分類號:TGl46.2文

2、獻標識碼:A 文章編號:1673-3320(200801-0032-05Deformation Mechanism of Severe Plastic Deformation AlloyLU Jun,JIN Li,ZENG Xiaoqin,DING Wendiang(National Engineering Research Center of Light Alloy Net Forming,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030,ChinaAbstract:Severe plastic deformation(SPDis an effect

3、ive route to refining coarsegrain size into nanometer regime,the SPD technical classification.advantage and it existence problem are reviewed.The characteristics of the organization of material which change within processing in the SPD is introduced,also poims out superplasticity can get a successfu

4、l application in the magnesium alloy ete.,which may greatly open up its practical application domain;then describes the organization,the plasticdeformation mechanism and mechanics properties of AlMg,Ti Mloy after SPD,finally further improvements and applications of SPD material are put forward.Key w

5、ords:Severe plastic deformation;Aluminum;Titanium;Ultrafine grained magnesium alloy; Microscopic organization;Mechanical properties;Deformation mechanism大塑性變形法(S e v e r e P l a s t i c Deformation,SPD具有將粗晶材料的晶粒細 化到納米量級的巨大潛力,是近年來逐步發展 起來的一種獨特的超微粒子(納米晶和亞微晶 金屬及其合金材料制備工藝。它是指材料處于 較低的溫度(通常低于0.4Tm環境中,在大 的外

6、部壓力作用下發生劇烈塑性變形,從而將 材料的晶粒尺寸細化到亞微米或納米量級的一 種工藝。強應變大塑性變形可以在低溫條件下 使金屬材料的微觀結構得到明顯的細化,從而大 大提高其強度和韌性。SPD法細化晶粒的原因 在于這種工藝能大大促進大角度晶界的形成。 本文綜述了SPD法制備材料的常用方法,分析l32l 2008年第l期 了材料在SPD加工過程中的組織轉變特點及其 SPD細化合金的微觀組織與力學性能,并在此 基礎上論述了大塑性變形法的實際應用,指出 了當前研究中存在的主要問題,并展望了大塑 性變形的應用前景。SPD技術能將粗晶材料有效地細化到亞微 米甚至納米尺度范圍,而且獲得的SPD納米結 構材

7、料具有結構致密、組織均勻、顆粒細小、 界面清潔等諸多優點,因而在基礎研究和應用 領域受到越來越多的關注。大塑性變形被認為 是塊體金屬實現納米化最為有效的途徑之一。1SPD技術分類及其存在問題大塑性變形材料及變形機制研究進展路君等SPD法有兩種:等通道轉角擠壓(ECAE 和大扭轉塑性應變法(SPTS。最近幾年,SPD 技術得到了迅速的發展,出現了一些大塑性變 形工藝:往復擠壓(Reciprocating Extrusion, RE、等通道轉角擠壓(Equal Channel Angular Extrusion,ECAE、高壓扭轉變形(High Press and Torsion,HPT、疊軋(A

8、ccumulative Roll Bonding,ARB、反復折皺一壓直(Repetitive Corrugation and Straightening,RCS、攪拌摩 擦加工(Friction Stir Processing,FSP等。大 量的研究表明,SPD法可有效地將多晶材料的 晶粒尺寸細化至微米尺度以下。目前已開發的 SPD工藝中有3種晶粒細化機制:形交誘導晶粒 細化、熱機械變形細化晶粒和形變組織再結晶 導致晶粒化。塊體超細晶粒材料由于具有大量 與眾不同的特性,可做超高強度材料和超塑性 材料等,廣泛應用于航空航天等領域。大工業規模生產超細晶材料是全球金屬工業 追求的核心技術之一。用傳

9、統加工技術,例如軋 制、鍛造和擠壓等方法產生大塑性形變來細化晶 粒有很多問題,其中最基本的問題是在獲得足以 生成細晶(微米級或超細晶(亞微米級的大塑 性形變后工件的尺寸至少在一個尺度上變得很 小,從而限制了材料的實用價值。通過大塑性 形變細化顯微結構是生產超細晶金屬結構材料 的有效方法。到目前為止,在結構鋼和低合金 鋼,鋁、鈦、銅、鎳、鎂金屬及合金等諸多材料 中利用大塑性形變已獲得亞微米級超細晶顯微 結構,并有小規模成功應用于醫療器械和體育 器材等領域的實例。為克服傳統工藝施加大塑 性形變的困難而開發的ECAE、ARB等方法在 原則上可用于大規模工業化生產,但在工藝設 計、生產成本和生產效率以

10、及應用范圍等方面 還有很多問題,工業開發價值有限。2SPD,Jfl工過程中材料的組織轉變特點 在SPD加工過程中,變形體中的晶粒和晶 界都會參與變形。由于低溫條件下晶粒內部較 晶界更易變形,最初的形變主要發生在晶粒 內部,隨著變形的增加,晶界也會發生轉動或 滑動。塊體材料在SPDJI工過程中晶粒的細化 機制及模擬、非平衡態晶界的形成、變形織構 的空間分布及再結晶遺傳行為是目前SPD技術 的研究重點。這些研究不僅可以揭示SPD材料 的組織與性能的關系,而且可以加深對SPD變形機制的認識,進而指導SPD工藝的改進與提高。2.1晶粒細化細化晶粒不僅可以提高材料的強度,而且還可以改善塑性,一直是金屬結

11、構材料的研究熱點。細化晶粒是改善材料性能的有效手段,傳統的壓力加工技術(如軋制、擠壓、拉拔和鍛造等可以細化晶粒(微米量級。納米結構金屬由于具有很小的晶粒尺寸(20-500nm和獨特的缺陷結構,從而表現出優異的物理、力學性能。2.2大角晶界一般認為相鄰晶粒的取向差大于150的晶界是大角晶界。許多研究表明,SPD材料在塑性變形過程中其晶粒不斷地側傾和轉動,逐漸形成大角晶界12J。Rybin3】認為經過大塑性變形后,形變誘導晶界的最大晶界取向差可以由公式萬。動0一占o計算。式中:A和占。是實驗測 得的常數,s為材料經歷的塑性變形量,s。可以視為由于塑性變形導致亞晶界的基本應變量。公式表明形變量越大,

12、形變誘導晶界的取向差越大,納米晶塊體SPD材料中的大角晶界正是強烈塑性變形的結果。在變形晶界處存在晶格畸變和大量的缺陷,比如塞積位錯和空位等,會在晶界處產生殘余應力。在隨后的低溫再結晶退火過程中,晶格畸變和缺陷得到恢復,晶界在遷移過程中吸收位錯,會促使SPD材料中的晶界角度進一步加大。所以,低溫再結晶退火可以增大納米/超細晶塊體SPD材料中大角晶界的比例。2.3變形織構在SPD加工過程中,多晶體的晶粒會逐漸轉動到一個較一致的晶粒取向,形成變形織構。織構的類型及強度與具體的加工工藝有直接的關系。比如,HPT材料具有絲織構,ECAE材料具有復合織構引,而ARB和MSCR材料具有強烈的板織構【釗。變

13、形織構一般會在隨后的再結晶退火過程中遺傳給新晶粒,形成再結晶織構。 .塊體納米/超細晶SPD材料中通常具有較鋒銳的變形織構,會強烈地影響材料的組織與性能。采用MSCR工藝加工CrMoV鋼板,變形量20。8年第-期I 33一畫黼超過75%時,鋼帶中的板條馬氏體組織會呈定向 平行排列,形成(100織構取向帶嵌于(111基體 中的一種片層狀結構。片層結構中馬氏體板條間 距約為90nm。這種組織在未退火時已具有超高 強韌性,并且對裂紋和應力腐蝕都不敏感,也沒 有一般超高強度鋼的低溫脆斷問題鍆。目前,對 SPD材料的變形織構的研究還比較少,有必要 進一步加強這方面的工作引。2.4硬度及熱穩定性在SPD擠

14、壓過程中,不僅晶粒細化,而且 材料處于非平衡態,缺陷密度和內應力明顯提 高,因此材料的硬度大幅度提高。傳統的冷加工變形再結晶溫度隨應變量的 增加而降低。納米結構材料由于高密度缺陷的 存在,如晶界和位錯,往往熱穩定性不高:而 SPD納米結構材料卻表現出良好的熱穩定性。 經5道高壓扭轉變形,平均晶粒尺寸僅為150nm 的工業純鐵和商用純鈦5】在高于400退火過 程中晶粒開始長大,但是520和500退火 過程中,晶粒尺寸均一且分別只有400nm和 800nm;而傳統冷軋工藝中它們的再結晶溫度 比較低,在520退火過程中平均晶粒尺寸就 高達10pm。先經等通道角溫擠壓、后冷軋的 170nm純鈦也表現出

15、良好熱穩定性,在400退 火時韌性得到提高,而其強度沒有明顯降低6】。 這些現象可用SPD超細材料晶粒粗化模型 來解釋。超細材料晶粒長大的動力學與非平衡 晶界有關,此非平衡晶界控制著晶粒長大的驅 動力和晶界的遷移率,其關系可用下式表示:阢 % d=MxP,p豺胙囂,盧夠/d式中:d為晶粒尺寸,M為晶界原子的遷移 率,D6為溫度r下的擴散系數,足為Bohzmann 常數,為晶粒長大驅動力,口為原子體積,萬 為晶界厚度,廠為界面張力。提高擴散率和高密 度晶界缺陷的非平衡晶界能,將有利于晶粒長 大;但在退火加熱過程中,由于活躍的晶界擴 散會使非平衡晶界回復加劇,從而使得晶界遷 移驅動力驟減,并導致隨

16、后SPD納米結構材料 的熱穩定性提高。3SPD細化合金的微觀組織與力學性能 SPD材料組織結構特點為:超細晶粒,純 34l 2008年第期 金屬材料平均晶粒尺寸一般150300nrrl,合 金的可能更小;高密度的位錯和點缺陷;形成 低能位錯結構(LEDS、位錯界面及亞晶界;平 衡晶界和非平衡晶界共存:晶粒細化過程是通 過連續動態回復再結晶(CDRR。SPD技術已經 成功地應用于鋁、鎂、鈦、鋼和銅等材料,細 化了晶粒并顯著地提高了強度。3.1鈦及其合金方面由ECAE加冷軋制成的納米純鈦,其屈服強 度和抗拉強度分別達到940MPa和1040MPa, 保持12.5%的好塑性;而粗晶純鈦的屈服強度 和

17、抗拉強度分別為380MPa和460MPa。采用扭轉并拉伸的加載方式處理鈦合金, 可在試樣橫截面甚至整個長度上獲得更加均勻 的片狀轉變組織:而且發現,通過動態再結晶 和相變,具有片狀組織的合金在大塑性變形之 后可獲得微米級和亞微米級的組織,進一步觀 察還發現晶粒中存在大量的位錯¨】。通過改變 晶粒形狀和尺寸可形成不同的細晶組織,其中 具有細碎狀形貌納米組織的純鈦,其強度和疲 勞極限是加工前的2倍,水平達到高強鈦合金的 水平。對高壓扭轉變形(TSHP/HPT的研究Is表明,強烈的剪切變形使晶粒破碎嚴重,獲得 了100nm的晶粒尺寸,真應變達N478】。但 其試樣為直徑很小的圓片狀(直徑為

18、10mm,厚 度小于l mm,不能制得大塊材料。因此,目 前僅作為一種研究方法在使用,實用困難。 3.2鋁及其合金方面室溫累積疊軋(RTARB制備超細晶純 鋁引,具有比較均勻的顯微組織和較高的伸長 率,綜合力學性能較好。李永霞等10研究了在 大塑性變形過程中超細晶粒結構的形成機理, 首次提出通過晶界上存在的微小化合物在變形 前后的分布變化情況來研究大塑性變形過程中 晶粒細化、晶界變化的機理。鋁合金(1100,2024,3004,5083,606l, 7075通過ECAEjJi:I工的強度可以在135%430%范圍內提高。ll 00鋁合金含合金成分最低,粗 晶的屈服強度只有36MPa,經ECAE

19、加工后可 提高>400%,達到190MPa。粗晶7075合金的 屈服強度只有200MPa,經ECAE加工后可提高 >230oA,達N470MPa,比單獨ECAE加工時 效后的強度要高很多。所以鋁合金通過ECAE加大塑性變形材料及變形機制研究進展路君等工后都保持lO%25%的好塑性,經ECAE和固溶、時效處理共同作用,7075鋁合金可獲得異常高的強度700MPa。在等徑角擠壓ECAE的早期階段12-le,變形體中形成亞晶粒,隨著變形 量的增加,晶粒間的位向差增大,最終形成由 大角度晶界構成的超細晶粒。用ECAE法能達 到的晶粒度很小,可達到納米級,可得到塊材 料12-IS】。但是EC

20、AE的效率很低,因此,目前 仍然停留在試驗室的小樣品階段。研究人員在 此基礎上又開發出旋轉式ECAE和連續多級式 ECAE裝置。3.3鎂合金方面大塑性變形過程中鎂合金晶粒細化機制可 以定義為連續動態回復和再結晶。變形初期產 生大量位錯,位錯會形成位錯界面或亞晶界結 構,并進一步演化為大角度晶界,在這一過程 中合金晶粒被細化。降低變形溫度后,細小的 晶粒內部位錯密度增加,位錯交互作用形成新 的位錯界面和亞晶界,隨著變形道次增加,變 形后的合金中含有高比率的位錯胞和亞結構,位 錯胞和亞結構逐漸形成新的小角度晶界和大角 度晶界,晶粒進一步細化。對鎂合金而言,隨著晶粒的細化,鎂合金的 強度與晶粒大小的

21、關系存在兩種情況:Hall-Petch 關系和反Hall-Petch關系。金屬及合金細化到10nm 以下時才會出現反Hall.Petch關系,圖1解釋了納米 級金屬出現反HallPetch關系的原因是晶界比率增 加和變形過程中晶界發生滑動。Hall-Petch關系的 試驗表明,與鋁合金相比,鎂合金晶粒細化對強度 和塑性的提高更明顯。Akihiro等17】研究發現,晶 粒細化使抗拉強度、屈服強度提高,并發現擠壓溫 度越高,材料的晶粒越大。利用該工藝對純鎂的研 究也得到,晶粒顯著細化提高了室溫強度和延展 性。反Hall-Petch關系的結果表明:隨著ECAE道次 數的增加,晶粒顯著細化(第一道次的

22、細化能力最 強,伸長率明顯增加,但是屈服強度卻低于沒有 進行ECAE前,認為這是由于大塑性變形過程中的 織構演變造成的結果。一方面,鎂在室溫下主要是 (0001基面產生滑移,在擠壓過程中,基面朝平行 于擠壓的方向旋轉,意味著基面上滑移困難,強度 高;另一方面,大塑性變形中的大應變硬化使2"3個滑移面激活旋轉到有利于滑移的方向,從而使強 度降低,延展性升高。tR翅簿察(晶粒尺寸-I/2-圖1不同晶粒尺寸范圍O腫,u m及nm金屬及合金屈服強度與晶粒大小關系的示意圖3.4超塑性變形機制SPD使合金晶粒細化,隨晶粒尺寸變小,裂紋在晶界的擴展的臨界應力上升18】。以細晶鎂合金的變形機制

23、68;】為例,存在一臨界晶粒尺寸,大于該尺寸的發生晶格擴散,小于該尺寸時為晶界擴散控制著晶界滑移。文獻【20指出細晶鎂合金(扣l pm好像無孿生變形,而在d-15pm的材料 中則顯示出孿生變形。超塑性的基本方程為:s確(等(剞謝Do exp(一齋 式中,p為與速度控制過程有關的激活能。通過對AZ61(d=17“m的超塑性變形研究,應變速率敏感系數腳>O.5,表明GBS為超塑性流動的主要變形過程。Q在523A一573K范圍內為90kJ/tool,接近于鎂的晶界擴散激活能(135kJ/m01,表明AZ61中的主要變形機制為GBS,滑移為其協調變形機制,在523-,-573K范圍內為晶界擴散控

24、制,598"-673K范圍內為晶格擴散控制。另外,細晶鎂基材料展現出高應變速率占lO。Vs及低溫下的超塑性(不大于473K。d=1.2pm的PMZK61合金在573K、薩100/s時,dm.。=432%。文獻指出在熱軋過程中的晶粒細化可以有效增強AZ61合金的超塑性。ECAE變形過程與超塑性變形過程中微觀組織演變的過程有一定的區別,在超塑性變形過程中由于較低的變形速率及較高的變形溫度,位錯能夠較好的形成小角度晶界和大角度晶界,從而細化晶粒,在ECAE變形過程中,由于變形速率較快,通常會在變形初期形成位錯界面和混亂排列的亞結構,只有經過多道次變形才能獲得均勻的再結晶組織。目前,低溫超塑

25、性(LTsP和高應變速率超塑z。os年第期l 35畫 查量己。三.二.一 Foundry Engineering性(HSRSP成為細晶材料最有可能的應用發展方 向。文獻zt】指出,減小晶粒尺寸,可以獲得低溫 超塑性或高應變速率超塑性。越來越多的研究表 明淪。朝,具有亞微米乃至納米級超細晶的材料有 可能在更低的溫度下實現超塑性,或者使超塑變 形速率得到大幅度提高,即實現高應變速率超塑 性,這對于塑性變形能力較差的密排六方晶格的 鎂合金實現工業化生產具有重要意義。4結束語大塑性變形制備納米結構金屬拓寬了傳統塑性 加工技術的應用領域,不僅使傳統材料的性能獲得 大幅度的提高,還可以開發新材料,這有利于

26、節省 資源,保護環境,實現人類的可持續發展。從目前國內外的研究現狀來看,要在工業上 廣泛應用大塑性變形技術,還需要對以下問題進 行更深入的研究:1進一步研發出制備UFG金屬和合金的經濟 可行的連續生產工藝:2進一步制備出強度與塑性優異結合的各種 高強韌UFG和合金;3研究SPD誘導固態相變,原位生成納米顆 粒或納米結構;4開展結合晶粒細化及其他強化的綜合強化 的研究;5組織結構(包括晶粒、第二相、顆粒和納 米結構等穩定性的研究;6大力推進UFG金屬材料在工業等各領域中 的應用。參考文獻:【1】lluang J Y,Zhu Y T,et a1.Acta Mater,2001,49:1497. 【

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