牟世娟　蘆明霞

摘要：文章通過兩套不同模具對(duì)鋁材料進(jìn)行等徑角擠壓，從微觀上觀察不同模具對(duì)材料擠壓的顯微組織特征，討論了影響晶粒細(xì)化的因素。

關(guān)鍵詞：等徑角擠壓；鋁材料；顯微組織；晶粒細(xì)化

中圖分類號(hào)：TG115文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）07-0123-02

等徑角擠壓技術(shù)（Equal Channel Angular Processing，簡稱ECAP）是20世紀(jì)90年代初制備塊體超細(xì)晶材料的一種有效新工藝。ECAP法是通過使材料在等徑通道拐角處受到大變形量的剪切變形，從而細(xì)化晶粒，獲得亞微米級(jí)或納米級(jí)的顯微組織結(jié)構(gòu)。近年來，等徑角擠壓技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，由于該方法能顯著的細(xì)化晶粒，制備出微觀結(jié)構(gòu)均勻、致密的三維大尺寸超細(xì)晶材料，因此成為塊體超細(xì)晶材料制備的一種熱門技術(shù)，具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

我們知道等徑角擠壓技術(shù)能夠細(xì)化多晶材料的晶粒尺寸，使其達(dá)到亞微米或納米尺寸范圍的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，因此越來越受到材料研究者的重視。目前研究者已對(duì)材料在等徑角擠壓過程中的顯微組織特征和力學(xué)性能的測(cè)定進(jìn)行了大量的研究。但是對(duì)于不同模具對(duì)材料擠壓的顯微組織演化規(guī)律的影響一直很少有報(bào)道。在本實(shí)驗(yàn)中，我們通過光學(xué)顯微鏡從微觀上觀察不同模具對(duì)材料擠壓的顯微組織特征。

一、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用純鋁材料（99.9%），實(shí)驗(yàn)所用的模具的兩通道橫截面積都為10.10mm2（如圖1所示）。所有的試樣的等徑角擠壓過程都在室溫下進(jìn)行。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1是純鋁的微觀結(jié)構(gòu)。由圖可知，純鋁具有粗大的等軸晶組織。

圖1 純鋁的微觀結(jié)構(gòu)（100×）

a等徑角擠壓前的顯微組織；b等徑角擠壓后的顯微組織

圖2 等徑角擠壓前后的顯微組織

圖2顯示了試樣在等徑角擠壓前和擠壓后的顯微組織。從a圖中可以看到晶界清晰、晶粒很完整，但晶粒大小不均勻。b圖顯示了試樣在復(fù)雜模具中擠壓后的光學(xué)顯微組織。從b圖中可以看出試樣單次擠壓后的微觀結(jié)構(gòu)特征：晶粒發(fā)生明顯的拉長變形，晶粒內(nèi)部有剪切的痕跡，晶粒開始變小，但大小仍舊不均勻；二次擠壓后晶粒發(fā)生了變形，被進(jìn)一步拉長，出現(xiàn)了一些細(xì)小的晶粒，晶粒形貌變化不是很大；三次擠壓后晶粒再次拉長，晶帶平行分布在表面上；四次擠壓后晶粒細(xì)化，出現(xiàn)大角度晶界。五次擠壓后可以看到更多的細(xì)小晶粒。

從b圖中，可以看到純鋁在等徑角擠壓后內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)隨擠壓次數(shù)的不同內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。隨擠壓次數(shù)的增加,晶粒形狀變化很明顯,晶粒呈拉長狀，大顆粒的晶粒變成小顆粒的晶粒。

我們知道，從宏觀上觀察利用等徑角擠壓技術(shù)使材料產(chǎn)生大塑性形變，可導(dǎo)致不同面的粗大的等軸晶沿一定方向發(fā)生強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)，并且在不同面上這種扭轉(zhuǎn)的方向也不相同。為了理解這種現(xiàn)象，研究擠壓材料的顯微組織特征。

由圖b的連續(xù)的擠壓可以看出,各晶界的寬度相差很大,這主要是因晶粒的空間位移,部分晶粒在試樣表面的凸出或凹進(jìn),在晶界上形成臺(tái)階所引起,這些臺(tái)階增大或縮小了晶界的寬度，近似等軸晶。晶界清晰，但是晶粒大小不均勻，平均晶粒尺寸，擠壓一次后，晶粒發(fā)生了明顯的拉長變形，使處于擇優(yōu)取向的一部分晶粒先得到了明顯的細(xì)化，但晶界模糊，晶粒大小不均勻。并且一次擠壓后在晶內(nèi)的位錯(cuò)密度升高，位錯(cuò)趨于相互纏結(jié)在一起。晶粒發(fā)生了變形，被進(jìn)一步拉長了，而且更加細(xì)小、均勻。這說明滑移帶碎化后的晶粒為亞晶，亞晶之間略有位相差，還未形成大角度晶界。

三、等徑角擠壓時(shí)鋁試樣截面表面的演變

圖3 純鋁不同道次ECAP變形后不同部位微觀組織

圖3中的上層顯示了試樣在等徑角擠壓不同道次下不同部位微觀組織。從圖中可以看到剪切變形相對(duì)均勻，剪切帶粗大。增加變形道次，剪切帶逐漸變細(xì)，且出現(xiàn)扭折、破碎，剪切方向清晰可辨。

圖3中的中層顯示了試樣在等徑角擠壓不同道次下試樣中心部分的微觀組織。從圖中可以看出，隨著擠壓次數(shù)的增多，試樣的中心部分剪切帶變細(xì)，而且有一定的規(guī)則性，同時(shí)可以明顯看到剪切的痕跡，剪切變形相對(duì)均勻，這樣有利于晶粒的細(xì)化和形成等軸晶。

圖3中的下層顯示了試樣在等徑角擠壓不同道次試樣前部的微觀組織。從圖中可以明顯地看到比較直的剪切線，剪切痕跡明顯，隨著擠壓次數(shù)的增多，缺陷不是很明顯。

四、結(jié)論

1．純鋁在經(jīng)過等徑角擠壓變形后，顯微組織發(fā)生很大變化，隨著擠壓次數(shù)的增多，晶粒逐漸拉長，晶帶平滑移動(dòng)。

2．一次擠壓后材料中位錯(cuò)密度急劇增加，形成位錯(cuò)糾纏，晶粒細(xì)化的效果最明顯。繼續(xù)擠壓，位錯(cuò)逐漸由晶內(nèi)移動(dòng)到晶界上，在晶界形成胞狀組織，最后逐漸變成了清晰的小角度晶界或大角度晶界，從而實(shí)現(xiàn)組織的超細(xì)化，再繼續(xù)擠壓，位錯(cuò)的增殖和湮滅達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)隨著內(nèi)能的增加，回復(fù)作用逐漸明顯，晶粒的大小基本上不再變化，但更加均勻。

3．影響晶粒細(xì)化的因素主要有晶體結(jié)構(gòu)、摩擦條件、擠壓溫度、剪切面等。

作者簡介：牟世娟（1979－），女，吉林長春人，沈陽理工大學(xué)理學(xué)院助教，碩士，研究方向：納米材料的制備與應(yīng)用。