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)，重點概述了等徑角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、累積疊軋焊等技術(shù)；同時分析了SPD材料的強度與超塑性等性能特征，并對其未來發(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特的缺陷結(jié)構(gòu)，在室溫下不僅具有高的強度、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、無污染、無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。機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)為是最有希望實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑之一⑵。SPD具有強烈的晶粒細(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，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邚姼唔g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)該滿足多項條件［4］：1)大塑性變形量；2)相對低的變形溫度；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，因為ECAE技術(shù)使用模具的工作部分是互相交錯成一定角度且橫截面積相等的兩個擠壓通道，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，但是合金的屈服強度卻有所下降，這是因為在ECAE擠壓過程中所形成織構(gòu)對材料的弱化作用超過了晶粒細(xì)化的強化作用，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)的兩個交角(內(nèi)角外角屮)有關(guān)。當(dāng)?=90。，屮=0°時，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)的特點在于：1)可以制備大體積試樣；2)常見有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，直徑或方形對角線一般不超過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，但可以通過設(shè)計成U形和L形循環(huán)等通道擠壓來改善。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,它的特點在于［6］：1)構(gòu)件多為盤狀，尺寸較小，直徑一般在10~20mm之間，厚度在0.2~0.5mm之間；2)具有強烈的晶粒細(xì)化能力，可以獲得分布均勻的納米級組織結(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,對細(xì)晶材料的硬度測試表明，細(xì)晶材料的硬度是沒有變形的相同材料的4倍。高壓扭轉(zhuǎn)工藝的缺點也很顯而易見，GPa級的高壓要求使得該工藝對模具的要求很高；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)展起來的一種變形方法。目前，由于ARB工藝易于在傳統(tǒng)軋機上實現(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。其原理是一個材料的不斷堆疊和軋焊的過程(見圖3)。在該過程中，首先將一塊原始板材有序地放置于另一塊板材上面，通過傳統(tǒng)軋焊加工使板材軋焊在一起，在必要的時候?qū)Χ褜又g進行表面處理以提高其結(jié)合強度，然后從中間板材剪開分成兩部分，再將這兩部分進行表面處理、堆疊，然后進行循環(huán)軋焊[12]。整個過程需在低于再結(jié)晶溫度的高溫條件下進行，若溫度過高易使材料出現(xiàn)再結(jié)晶，將抵消疊軋過程中所產(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)合強度的下降。軋制是制備板材最具優(yōu)勢的塑性變形工藝，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加工過程中，當(dāng)每次軋制壓下量維持在50%的時候，板材軋制過程中產(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ARB工藝對這些材料可制備出超細(xì)晶材料，同時不出現(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)，可用來制備亞微米級超細(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)沖頭進入擠壓筒時，另一側(cè)沖頭靜止不動，坯料通過縮頸區(qū)時先經(jīng)擠壓后經(jīng)過壓縮，隨后坯料在另一側(cè)沖頭作用下被反向壓回，完成一個循環(huán)過程［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程，即依次沿不同的軸向鍛壓材料，在變形過程中晶粒因發(fā)生動態(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)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強度和延展性一般來說，無論是通過從成分變化、熱機械加工還是通過相變等方法所獲得的具有高強度的材料，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)材料不僅增強了強度，其延展性能也得到提高。目前，對于SPD工藝變形材料的強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的運動，從而提高材料強度；同時，當(dāng)非平衡晶界不斷出現(xiàn)時，滑移相對變得容易，并由于晶界滑移和晶格轉(zhuǎn)動發(fā)生的趨勢增加從而導(dǎo)致隨后主要變形機制發(fā)生改變，一般認(rèn)為粗大晶粒的主要變形機制為位錯蠕變，而超細(xì)晶粒的主要變形機制則為晶界滑移，晶界滑移及晶格轉(zhuǎn)動的發(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度和延展性能，這些第二相顆?？蓪?yīng)變過程中的剪切帶傳播進行修改，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，顯示出很大的伸長率而不產(chǎn)生縮頸與斷裂現(xiàn)象，其伸長率一般大于100%，有些材料的伸長率甚至可達(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)高溫條件下成形。而晶粒尺寸作為超塑性材料的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對材料的超塑性變形有著重要的作用。近年來，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程中出現(xiàn)疲勞裂紋的問題，如ARB。因此，仍需對SPD技術(shù)的制備工藝、細(xì)晶結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性展開深入細(xì)致的研究，實現(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，彭建國等.大塑性變形制備細(xì)晶材料的研究、開發(fā)與展望[J].材料導(dǎo)報,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].機械工程學(xué)報,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.強塑性變形方法的改進及超細(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