2021-4-9 | 建筑工程
ECAP制备超细晶材料的组织
从ECAP变形过程的模拟得出：等通道挤压模具的设计、挤压道次、变形方式、挤压速度和挤压温度等对材料的组织影响极大。研究纯铝表明，当=90°，Ψ为任何角度，一道次应变量都接近1，材料获得等轴的、大角度晶界超细晶显微结构。纯钛在室温ECAP变形过程中显微组织的演化分为3个阶段，其中1，2道次为第一阶段，位错滑移和孪生交互作用为其晶粒细化机制，变形最为强烈；2~4道次为第二阶段，动态回复为组织演化机制；4道次以后为第三阶段，细化机制为晶界转动，微观结构主要为大角度晶界的等轴晶。Segal认为，同一坯料挤压方式不同，多道次挤压后材料产生的组织结构也不同。经方式A挤压后试样内形成两个相交成60°的剪切面，剪切在两个剪切面上交替进行；经方式B挤压后形成4个不同的剪切面和剪切方向，挤压在这些剪切面上交替进行；而方式C中，剪切总是在相同的剪切面上进行，每相邻道次间的剪切方向相反，ECAP中相邻两次挤压间剪切平面间夹角对晶粒细化效果的影响非常大。杜忠泽等通过观察Q235经ECAP变形切变面和垂直面的组织得出：ECAP的Bc方式比其它方式能更有效地细化晶粒；W.H.Huang在室温下对方式Bc和C作了比较，发现两种方式得到的组织类似，随着温度升高，Bc方式获得了更多的细晶组织；挤压速度对晶粒尺寸的影响不大，只对晶粒的均匀分布有一定影响。此外，R.Z.Valiev等指出材料初始微观结构、相组成、试样在加工过程滑移系统对ECAP组织也有重要的作用。
对于时效析出型两相合金，ECAP过程中晶粒的细化速度不及固溶态单相合金，主要由于第二相粒子θ′的影响，随着挤压道次的增加，θ′粒子被破碎、旋转而细化，第6道次以后几乎全部溶入基体中，发生显著的晶粒细化。对于共析出型的多相合金，ECAP可迅速细化晶粒，使第二相渗碳体颗粒发生破碎、颈缩扭曲变形及部分溶解。尽管以上各种因素对晶粒细化水平和组织特征都有不同程度的影响，但非平衡晶界是ECAP制备超细晶材料微观组织的共同特征，通过观察这些金属的变形组织可以发现ECAP变形组织的许多共同特点：一是材料中粗大的晶粒在一道次挤压后被破碎成一系列具有小角度的亚晶，亚晶界位错较少，主要依靠几条甚至一条位错线滑移，沿一定方向拉长呈带状结构，晶粒尺寸明显从几百微米细化到几微米甚至亚微米级；二是材料具有大量的晶界面积，而且晶界结构不完整。
ECAP制备超细晶材料的性能
1.力学特性
Hall-Petch关系式很好地说明了晶粒大小与材料屈服强度的关系，当晶粒达到亚微米时，材料力学特性得到了很大改善。如TA1纯钛经120°模具8道次室温ECAP变形后，屈服强度和抗拉强度分别为710，791MPa，伸长率为19.0％。结合ECAP和热处理工艺制备铝合金，发现其力学特性得到明显提高，在之后对纯铝的研究表明：其强度随道次增加而增加，伸长率在一道次挤压降低50％后基本保持不变。边丽萍等采用2A+4BA+2A和改进型挤压方式BC-UD2分别对两种不同的合金挤压8道次考察其力学特性，发现综合性能显著提高，表明通过组合基本路径细化晶粒兼顾第二相的均匀分散来进一步提高材料力学特性具有可行性。ECAP超细晶材料的应力-应变曲线具有显著的特点：变形初始阶段具有很高的应变强化率，可达到较高的屈服强度，材料屈服后的应变强化率很小，但具有很高的伸长率，主要由于晶粒细化随着道次的增多而不再明显，累积的强烈塑性变形所产生的位错和晶界的扭转使动态再结晶得以发生，位错较容易地滑至晶界处而消失，削弱了合金的加工硬化程度。这也说明除了晶粒大小，晶界处的缺陷密度等对超细晶的力学行为也产生了重要影响。
2.热稳定性
超细晶材料的热稳定性的影响因素有晶粒尺寸、晶界位错的分布和密度、第二相粒子的热稳定性等。如7475铝合金经250，300℃多道次ECAP变形，平均晶粒尺寸达到0.3，0.5μm。由于剧烈ECAP变形产生的大量析出相有效钉扎晶界，得到的亚微晶晶粒比室温ECAP具有更好的组织稳定性。A.Vinogradov等对Cu-Cr-Zr合金的研究表明，ECAP变形后时效处理得到了超细晶Cr亚稳沉淀相，该沉淀相向粗大、稳定的B.C.C结构转化，只有在高温和长时间退火时才得以发生。当时效温度为500℃，仍有很高的位错密度，温度为650~700℃时晶粒明显长大。斯志军对ECAP变形后的纯铜进行了不同温度再结晶退火的实验研究，得出：材料再结晶晶粒长大时，抗拉强度大幅下降，得知纯铜经ECAP后再结晶温度为240℃，在该温度下，材料保持较高强度，热稳定性较好，高于此温度时，强度下降，热稳定性变差。因此，要想解决超细晶材料的热稳定性问题，必须对超细晶材料发生晶粒长大的具体机制和驱动力以及第二相粒子对热稳定性影响机制等问题进行系统的研究。
3.疲劳性能
提高材料的疲劳强度可以有效地提高工程材料的使用寿命，有研究表明，细化晶粒将提高工程材料的疲劳寿命。ECAP制备亚微米材料的疲劳研究从1997年开始起步，目前主要包括铜、铝和黄铜、镁合金、钛合金、不锈钢和低碳钢等合金。如王庆娟等研究了超细晶铜的疲劳性能和循环变形行为，结果表明，超细晶T3铜的疲劳极限是粗晶铜的2倍，在高周疲劳域表现比较稳定的疲劳行为，甚至疲劳硬化，在低周疲劳域内由于超细晶铜的循环软化和应变局部化而疲劳寿命明显低于粗晶铜。文献揭示了高温条件下超细晶铜的动态疲劳变形行为，实验表明，循环软化随着温度升高愈加明显，相应的疲劳寿命显著降低，断口形貌特征由脆性逐步转变为韧性。由于ECAP材料的疲劳性能受诸多因素的影响，包括初始晶粒尺寸、挤压温度、挤压方式、挤压速度、样品纯度等。现有超细晶金属的疲劳性能和微观机制研究还有很大局限性，疲劳裂纹起始和疲劳裂纹扩展对疲劳寿命的影响还有待进一步研究。
4.耐腐蚀性和磁性能
合金的显微组织对合金的腐蚀化学行为有重要影响，研究结果认为，随着合金晶粒尺寸的减少，晶界比例将大大增加，合金抗腐蚀性能会发生不同程度的变化。A.Vinogradov最先报道了ECAP制备的超细晶Cu的阳极极化行为，发现不管在活化区还是钝化区，相比粗晶Cu的阳极电流，超细晶Cu有所提高，但是超细晶的腐蚀表面光滑，表明粗晶Cu更易发生局部腐蚀。文献中用电化学极化法研究了经ECAP后Al-Si-Cu合金的耐腐蚀性能，实验表明合金的耐点腐蚀性能得到显著提高，经分析表明该性能提高的主要原因是ECAP变形过程中Si颗粒的均匀分布。从现有研究成果可以看出，利用不同工艺超细化和纳米化，会对材料的结构、成分及状态等造成不同影响，而上述因素中的任何一个发生变化，都会导致材料腐蚀性能的改变。目前ECAP等大塑性变形方法对材料腐蚀性能影响的报道还极少，缺乏进一步研究，现在的实验研究迫切需要系统理论的指导，以便确定各因素对腐蚀行为的影响机制。基于很少有报道应用ECAP的强烈剪切变形制备磁性材料，杜忠泽研究了ECAP对2J4合金磁性能的影响，该合金经ECAP变形后，奥氏体部分转变为马氏体，得到的试样比冷轧试样具有更优异的磁滞性能。
结束语
材料经ECAP后获得超细晶组织的优异性能使得ECAP成为最具工业化应用前景的剧烈塑性变形的方法。合金晶粒细化提高力学特性的同时，还可降低脆性-韧性转变温度，从而提高合金的室温成形性，这对合金的超塑性成形具有重要意义。但是，目前为止ECAP工艺仍存在一些问题：1）对诸如耐腐蚀性和磁性能的影响研究尚不全面；2）尚未最终弄清晶界滑移的微观机理。总之，ECAP目前还处于研究阶段，期待进一步的研究，使其获得广泛应用。
本文作者：刘锋 王庆娟 杜忠泽 王静怡 单位：西安建筑科技大学 冶金工程学院