楊西榮, 趙西成, 王 成, 王幸運, 劉曉燕

(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,西安 710055)

具有優(yōu)異生物化學(xué)相容性和生物力學(xué)相容性的純鈦材由于其強度較低、耐磨性較性差等缺點使其醫(yī)學(xué)應(yīng)用受到限制,而組織超細化是提高純鈦材力學(xué)性能、擴大其應(yīng)用范圍的有效途徑。等徑彎曲通道變形(Equal Channel Angular Pressing,簡稱ECAP)技術(shù)是目前制備塊體超細晶純鈦材的主要技術(shù)之一。其制備的超細晶純鈦材不僅具有優(yōu)良的性能(如高強度、較大的延伸率和低溫/高應(yīng)變速率超塑性),而且還克服了納米粉團聚塊狀納米材料有空隙、易脆斷、易污染等缺陷。純鈦材在 883℃以下為密排六方結(jié)構(gòu),其滑移系較少,室溫可加工性差,故以前的研究通常采用提高擠壓溫度 (300～550℃)來實現(xiàn)純鈦的 ECAP變形[1-15]。但升高擠壓溫度將導(dǎo)致晶粒尺寸增加,致使組織細化和強化效率下降[16]。Semiatin等[17]在室溫下對純鈦材進行ECAP變形,結(jié)果試樣碎裂。本文作者及合作者[18～20]采用 120°模具,首次在室溫成功實現(xiàn)了純鈦的單道ECAP變形,并配合使用道次間退火工藝,成功實現(xiàn)純鈦的4道次ECAP變形[21],獲得了超細晶純鈦試樣。本文在前期研究的基礎(chǔ)上,通過改變ECAP變形模具參數(shù)和變形工藝條件,在室溫不采用道次間退火實現(xiàn)了純鈦材的8道次ECAP變形,獲得了表面光滑無裂紋的試樣,并對ECAP變形試樣的顯微組織演化進行分析研究。

1 實驗方法

實驗材料為熱軋態(tài)的純鈦(TA1),化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：O 0.10,H 0.001,N 0.01,C 0.007和Fe 0.03。實驗原始材料的組織為等軸狀的單相α組織,平均晶粒尺寸約為23μm(如圖1所示)。

圖1 實驗材料的原始組織照片F(xiàn)ig.1 Opticalmicrostructure ofas-received TA 1

將實驗材料切割成尺寸為15mm×15mm× 70mm的ECAP試樣,放入兩通道夾角Φ=120°,外圓角Ψ=20°的模具,在室溫進行8道次ECAP變形,累積等效應(yīng)變?yōu)?～5.08。變形時,為獲得更均勻的高角度晶界超細晶組織,實驗采用 BC方式(每道次變形后,試樣沿縱軸按相同方向旋轉(zhuǎn) 90°放入模具進行下一道次變形)進行變形[22],擠壓速率為2mms-1,潤滑劑采用以MoS2、石墨為主要成份的復(fù)合潤滑劑。

采用10%HF+20%HNO3+70%H2O溶液作為腐蝕液制備金相試樣,并用OLYMPAS-GX51型金相顯微鏡對試樣進行顯微組織觀測。采用 60%甲醇+35%丁醇 +5%高氯酸鉀溶液作為減薄液,在233K通過電解雙噴減薄來制備電鏡試樣,然后用JEM?2000EM型透射電子顯微鏡對變形試樣斷面的更精細組織進行觀察。

2 結(jié)果與討論

在室溫不采用道次間退火以BC方式實現(xiàn)TA1純鈦材的8道次ECAP變形后的試樣實物如圖2所示(試樣的擠出方向由上自下)。由圖可知,經(jīng)多道次ECAP變形后,均可獲得表面光滑無裂紋的試樣。

圖2 原始及不同道次ECAP變形后TA1試樣 A—原始樣; B—2道次;C—4道次;D—6道次;E—8道次Fig.2 Samples of CP-Ti A—as-received;B—2 passes; C—4 passes;D—6 passes;E—8 passes

2.1 低道次ECAP變形過程中光學(xué)顯微組織

圖3所示為TA1純鈦室溫1～3道次ECAP變形的光學(xué)顯微組織。從圖3a可知,在 TA1試樣進行 1道次變形后,原始的等軸晶粒被拉長,晶內(nèi)出現(xiàn)大量的孿晶和相互平行的板條組織,不同晶粒內(nèi)的孿晶和板條組織的方向有所差異。在變形組織中,仍存在有一些原始的等軸組織。2道次變形后,晶界模糊,晶內(nèi)的孿晶和板條組織明顯細化,且可觀測到有些板條(或?qū)\晶)相互交割(圖 3b中箭頭所示)。3道次變形后的晶粒破碎更為嚴(yán)重,晶界更為模糊,且板條狀組織更為細小(圖3c所示)。4道次變形后組織非常細小,光學(xué)顯微鏡已不可辨別。

2.2 TEM組織

圖4所示為純鈦室溫下經(jīng)過1道次ECAP變形后的TEM組織。由圖可知,原始晶粒被拉長,在晶粒內(nèi)部形成具有一定方向的、互相平行的、寬度不均的剪切帶(圖4a),剪切帶的平均寬度約為0.5μm。這與bcc和fcc結(jié)構(gòu)金屬1道次ECAP變形后所觀察到的組織相似[23-27],但與六方結(jié)構(gòu)金屬鎂合金的ECAP變形后的組織形態(tài)有所不同[27]。這可能與鈦和鎂的層錯能不同或鎂合金中的合金元素的影響有關(guān)。這些板條狀剪切帶以高密度位錯墻隔開,板條內(nèi)含有大量由高密度位錯纏結(jié)構(gòu)成的胞狀組織。有文獻揭示[6,28],這些拉長的板條狀組織是由一系列的高密度孿晶構(gòu)成,這些孿晶通常會從幾個晶粒發(fā)展成宏觀孿晶。圖 4b所示為兩個不同取向剪切帶相互交叉后,早期形成的剪切帶被后期形成剪切帶切斷成的復(fù)雜組織,說明在變形時產(chǎn)生了多系滑移。圖4c、d為TA1純鈦室溫1道次ECAP變形時出現(xiàn)的孿晶和針狀孿晶組織。

圖3 ECAP變形試樣的光學(xué)顯微組織 (a)1道次;(b)2道次;(c)3道次Fig.3 Opticalmicrostructures of Tibillets after ECAP：(a)one pass;(b)two passes;(c)three passes

本實驗在相鄰道次試樣的旋轉(zhuǎn)會引起兩次變形的剪切面發(fā)生變化,使得不同道次所形成的剪切帶相互切割,從而形成更為復(fù)雜的剪切帶組織(圖 5a所示)。這些板條狀剪切帶的邊界比 1道次剪切帶的邊界彎曲且模糊不清,其中分布的位錯密度更高。從圖 5b中可觀察到有部分新晶粒開始形成,但晶界仍不明銳,這可能是由于不同滑移系開動形成的不同剪切板條或?qū)\晶相互切割后,使得板條內(nèi)的高密度位錯胞發(fā)生重排,從而開始形成新的晶粒。本道次變形后形成的剪切帶的平均寬度約為0.35μm。

圖4 純鈦1道次ECAP變形試樣的TEM組織 (a)剪切帶; (b)復(fù)雜剪切帶;(c)孿晶;(d)針狀孿晶Fig.4 TEM m icrographs of CP-Ti after a single ECAP pass (a)Parallel shear bands;(b)More comp lex bands; (c)(d)twins

圖5 純鈦2道次ECAP變形試樣的TEM組織(a)剪切帶;(b)新晶粒形成Fig.5 TEM micrographs of CP-Tiafter ECAP for two passes (a)Shear bands;(b)Newly formed grains

經(jīng)3道次ECAP變形后,板條組織已逐漸消失,在剪切力的作用下先前形成的板條組織已經(jīng)破碎,進一步由胞狀組織演化形成亞晶組織(圖 6a所示)。圖6b是圖6a黑框區(qū)域的放大,顯示了新的亞晶形成過程。該亞晶粒由不同類型的晶界構(gòu)成,圖中標(biāo)記三角的邊界開始逐漸變得平直、明亮、清晰,與相鄰晶粒間晶界屬于大角度晶界,這可從其與相鄰晶粒的襯度不同推測得到。而其它部分(標(biāo)注白色圓圈部分)邊界則模糊不清,不能明確辨別與相鄰晶粒的取向差。除這種混合晶界構(gòu)成的新晶粒外,在 3道次ECAP變形組織中還可觀察到由小角度晶界構(gòu)成的亞晶結(jié)構(gòu)(圖中標(biāo)記的A,B,C部分)。

圖6 純鈦3道次ECAP變形試樣的TEM組織 (a)晶粒結(jié)構(gòu);(b)同一晶粒的大角度晶界和小角度晶界;(c)小角度晶界Fig.6 TEM micrographs of CP-Tiafter ECAP for three passes (a)Grain structures;(b)Both high-angle and low-angle grain boundary segments existaround the same grain;(c)Low-angle grain boundary segments

4道次ECAP變形后的微觀組織仍是非常不均勻的(圖 7a),組織被細化,形成的等軸晶粒的平均尺寸約為0.25μm,相應(yīng)的選區(qū)衍射斑點形成環(huán)狀,表明隨著ECAP變形道次及應(yīng)變量的增加,亞晶內(nèi)的位錯不斷向晶界處積聚,并重新排列和對消,從而形成完整的大角度晶界非平衡組織。而部分鄰近的衍射斑點拉長,說明產(chǎn)生衍射的晶粒間存在高的內(nèi)應(yīng)力或小角度晶界。經(jīng) 6道次擠壓變形后,形成的等軸組織的平均尺寸變化不大,晶粒中的位錯密度有所減少,而晶界更為清晰、明銳,衍射花樣的環(huán)狀也更加連續(xù)完整(圖7b)。這可能是由于擠壓道次的增加,晶界位錯的累積使不同晶粒的晶界發(fā)生轉(zhuǎn)動,從而使小角度晶界轉(zhuǎn)化為大角度晶界的結(jié)果。8道次變形后,從 TEM形貌可觀察到晶粒分布比較均勻,平均晶粒大小約為0.2μm,大部分晶粒形狀呈等軸狀,晶界非常明銳、清晰,晶內(nèi)光滑,幾乎沒有位錯。但部分晶粒內(nèi)部仍存在有亞晶組織及位錯胞狀結(jié)構(gòu),部分晶粒的晶界仍為大角度晶界和小角度晶界構(gòu)成的非平衡組織。與其對應(yīng)的選區(qū)衍射斑點形成的衍射環(huán)更連續(xù)。

圖7 純鈦不同道次ECAP變形試樣的TEM組織 (a)4道次;(b)6道次;(c)8道次Fig.7 TEM m icrographs of CP-Tiafter ECAP (a)four passes;(b)six passes;(c)eight passes

2.3 組織演化

從對純鈦ECAP變形各道次顯微組織的觀察,純鈦室溫ECAP變形過程中顯微組織演化過程可分為 3個不同階段,對應(yīng)于 3種不同的演化機制。

第一階段顯微組織演化發(fā)生在第 1道次,其機制為位錯滑移和孿生協(xié)同作用細化機制,這與。眾所周知,純鈦在室溫塑性變形時,位錯主要沿柱面的 ＜a＞方向進行滑移,而在柱面 ＜a＞滑移僅有 2個獨立的滑移系,這顯然不能滿足多晶體塑性變形時晶粒間變形應(yīng)當(dāng)保持連續(xù)的Taylor模型假設(shè)條件。且僅通過柱面滑移不能產(chǎn)生＜c＞方向晶體塑性變形,要產(chǎn)生 ＜c＞方向晶體塑性變形則需要開動＜c+a＞型滑移或?qū)\生變形來實現(xiàn)。這樣才能滿足多晶體不同方向上變形協(xié)調(diào)性的要求(必須有 5個獨立的滑移系開動)。而 ＜c +a＞型滑移和孿生變形的臨界分切應(yīng)力高于相應(yīng)的＜a＞型滑移分切應(yīng)力。在純鈦ECAP變形開始時,取向有利的柱面滑移系先開動,當(dāng)位錯滑移受到阻礙時位錯塞積而產(chǎn)生高應(yīng)力集中區(qū)。高應(yīng)力集中區(qū)處軟取向晶粒的＜c+a＞型滑移在高應(yīng)力的作用下被誘導(dǎo)開動,以協(xié)調(diào)變形減小應(yīng)力集中;而高應(yīng)力集中區(qū)硬取向晶粒則通過孿生變形來改變晶體位向,使晶粒取向有利于滑移的進行,從而消除應(yīng)力集中。因此在純鈦 1道次ECAP變形時＜a＞型、＜c+a＞型滑移與孿生變形相互補充、相互競爭、共同作用下,原始的等軸晶被拉長,并在晶內(nèi)形成由高密度位錯胞構(gòu)成的板條狀剪切組織。這些板條狀剪切組織在后續(xù)變形時會相互交割形成新晶粒,從而達到細化組織的目的。

第二階段顯微組織演化發(fā)生在第 2道次到第 4道次之間,其機制為動態(tài)回復(fù)細化機制。在繼續(xù)變形時,各晶粒內(nèi)不同區(qū)域開動的滑移系不同,導(dǎo)致晶內(nèi)形成了不同的高密度位錯胞,同時在不同板條狀剪切組織或?qū)\晶相互交叉、切割的作用下,使晶粒嚴(yán)重“碎化”,從而形成由高密度位錯墻分隔開的胞塊組織,每個胞塊組織中包含有位錯胞狀結(jié)構(gòu)(圖 5,6所示)。在外加應(yīng)力的作用下,位錯胞中的可動位錯可脫離胞壁,使胞壁的穩(wěn)定性降低。同時,應(yīng)變產(chǎn)生的大量空位的聚集使位錯的攀移速率增加,大量位錯通過攀移又重新進入胞壁,從而使胞壁位錯密度增加,當(dāng)胞壁位錯達到某一臨界值時,不同符號的胞壁位錯會相互抵消,只留下同種符號的多余位錯,使胞壁進一步變薄。而這些保留多余位錯密度升高時,將會引起胞狀組織向晶粒狀組織的轉(zhuǎn)變[29]。這種由同種符號多余位錯構(gòu)成的晶界是非常不平衡的,圍繞晶界存在有由晶界位錯產(chǎn)生的長程應(yīng)力場所引起的大畸變晶格區(qū)。這部分晶界位錯在滑移運動時會引起晶界滑動和晶粒間相對位移。這一位錯相互抵消和重排過程通常被稱為“多邊形化”[30]。隨著變形的繼續(xù),位錯的相互抵消和重組更加徹底,重復(fù)多邊形化更加完善,形成更為完整的亞晶組織。

第三階段顯微組織演化發(fā)生在第 4道次到第 8道次之間,其機制為晶界轉(zhuǎn)動從而形成大角度晶界組織。進一步的變形使多邊形化過程加劇,形成越來越多的亞晶組織。這些亞晶組織在外加應(yīng)力作用下,使同種符號多余位錯發(fā)生滑移,從而使亞晶發(fā)生轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動過程中,不同亞晶間的取向差逐漸增大,小角度晶界逐漸向大角度晶界轉(zhuǎn)換,在晶粒間形成界面更為鋒銳的大角度等軸晶粒組織。因此從 4道次到8道次的ECAP變形過程來看,晶粒的大小變化不大(平均晶粒尺寸從0.25～0.2μm),但具有等軸狀的晶粒數(shù)目明顯增加,且晶界明銳清晰(圖7)。

3 結(jié)論

(1)在室溫下,ECAP技術(shù)可有效細化工業(yè)純鈦晶粒,經(jīng)過8道次ECAP變形后,平均晶粒尺寸由23μm減小到0.2μm。

(2)工業(yè)純鈦在室溫ECAP變形過程中顯微組織演化分為 3個不同階段：第一階段真應(yīng)變量 ε≤1.27(1、2道次以前)時,其晶粒細化機制為位錯滑移和孿生交互作用細化機制,晶粒尺寸由初始狀態(tài)的23μm細化到0.35μm。在該機制的作用下,原始晶粒在剪切力作用下形成由高密度位錯胞、位錯墻和孿晶等構(gòu)成的復(fù)雜板條組織;第二階段真應(yīng)變量1.27＜ε＜2.54(2～4道次)時,其組織演化機制為動態(tài)回復(fù)機制,平均晶粒尺寸減小至 0.25μm,形成典型的變形亞晶組織;第三階段真應(yīng)變量 ε≥2.54 (4道次以后)時,其晶粒細化機制為晶界轉(zhuǎn)動機制。在該機制的作用下,材料顯微組織更加均勻細小,晶界角度逐漸增大,最終形成平均晶粒尺寸約為 ～0. 2μm的等軸狀大角度晶界的超細晶組織。

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