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等通道轉(zhuǎn)角擠壓研究現(xiàn)狀

2015-07-24 21:31:33王斌
關(guān)鍵詞:顯微組織塑性變形

摘要:等通道抓轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)技術(shù)是一種通過對(duì)材料進(jìn)行劇烈塑性變形而獲得超細(xì)晶材料的方法,文章首先對(duì)國(guó)內(nèi)外ECAP技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹,接著對(duì)其變形方法、變形后的顯微組織及性能進(jìn)行了總結(jié),最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:等通道轉(zhuǎn)角擠壓;塑性變形;ECAP;超細(xì)晶材料;顯微組織 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):TG376 文章編號(hào):1009-2374(2015)24-0031-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.015

近幾十年來,通過劇烈塑性變形制備亞微米和納米級(jí)超細(xì)晶材料,改善材料的物理性能和綜合機(jī)械性能的方法得到了廣泛的研究和關(guān)注。在金屬的塑性變形過程中,晶粒會(huì)發(fā)生變形和破碎,大量晶粒具有某些晶向上的擇優(yōu)取向后會(huì)形成織構(gòu),從而使材料的某些性能發(fā)生變化。傳統(tǒng)的塑性變形由于受到變形量的限制,其對(duì)晶粒想的細(xì)化作用較為有限。劇烈塑性變形(Severe Plastic Deformation,SPD)技術(shù),因其可在材料外形尺寸改變不大的基礎(chǔ)上獲得很大的變形量,克服了傳統(tǒng)變形方法導(dǎo)致的材料厚度及直徑尺寸的大幅度減少,不適用于結(jié)構(gòu)件的弊端。

1 ECAP技術(shù)研究的材料

等通道轉(zhuǎn)角擠壓法首先由Segal和他的合作者在20世紀(jì)70、80年代提出,在20世紀(jì)90年代Valiev利用該技術(shù)獲得了超細(xì)晶的鋁合金材料,引起了世界范圍內(nèi)材料研究者對(duì)ECAP技術(shù)的興趣;隨后,人們利用該技術(shù)對(duì)包括純金屬,如Cu、Al、Ti等;合金,如H62黃銅,Ti-6Al-4V,Al-Mg,Zn-Al,Al-Zn-Mg-Cu超高強(qiáng)鋁合金等合金,以及金屬基復(fù)合材料在內(nèi)的多種材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),材料的性能都有不同程度的提高。目前,ECAP技術(shù)已經(jīng)由單純的學(xué)術(shù)研究向工業(yè)應(yīng)用方向發(fā)展。

2 ECAP的變形方式及晶粒細(xì)化機(jī)理

等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)是使棒料在一定的擠壓力作用下通過兩軸線成一定夾角的通道,使棒料發(fā)生純剪切變形(如圖1所示)。

在經(jīng)過N次擠壓后,材料的總應(yīng)變量為:

式中,N為擠壓的道次;φ為模具的拐角,ψ為模具的外角,如圖1所示,為,的情況。

等通道角變形細(xì)化組織時(shí),坯件經(jīng)過通道的方向和次數(shù)是重要的參數(shù),目前主要有四種途徑,A途徑是指每次通過模具時(shí)坯件的取向不變;BA途徑是指每次通過模具時(shí)坯件的取向旋轉(zhuǎn)90°,連續(xù)兩次通過模具時(shí)旋轉(zhuǎn)方向相反;BC途徑是指每次通過模具時(shí)坯件的取向旋轉(zhuǎn)90°,連續(xù)兩次通過模具時(shí)旋轉(zhuǎn)方向相同;C途徑是指每次通過模具時(shí)坯件的取向旋轉(zhuǎn)180°,如圖2所示。

在剪切力的作用下,粗大晶粒被粉碎成為一系列具有小角晶界的亞晶,亞晶沿著一定方向拉長(zhǎng)形成帶狀組織,隨變形程度的進(jìn)一步增加,最終使亞晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写蠼蔷Ы绲牡容S晶,從而獲得超細(xì)晶材料。

3 ECAP技術(shù)對(duì)材料晶粒細(xì)化的影響因素

經(jīng)過多道次ECAP變形后的金屬,晶粒尺寸會(huì)有明顯的減小,晶粒的最終情況取決于模具拐角φ、擠壓方式、擠壓溫度以及擠壓速度等多個(gè)因素。

3.1 模具拐角的影響

由式(1)可知,在相同的擠壓道次時(shí),較小的拐角φ可以獲得較大的應(yīng)變量,當(dāng)拐角較大時(shí),雖然可以通過增加擠壓道次的方法來獲得與較小拐角相同的應(yīng)變量,但其最終難以獲得大角晶界,產(chǎn)生超細(xì)晶粒。Nakashima K采用φ值分別為90°、112.5°、135°、157.5°的模具對(duì)純鋁進(jìn)行研究,通過改變擠壓道次保證獲得相同的應(yīng)變量,最終只有以90°和112.5°的拐角的擠壓在應(yīng)變量為4時(shí)能夠產(chǎn)生大角晶界,其中,以90°拐角擠壓時(shí)最容易產(chǎn)生大角晶界。

3.2 擠壓方式的影響

如上文所述,對(duì)材料進(jìn)行ECAP變形時(shí),可以采用不同的變形路徑,其晶粒細(xì)化程度也不相同。一般來說, 按BC路徑進(jìn)行擠壓變形時(shí),晶粒在三個(gè)方向上都可獲得較大的變形,從而獲得最佳的細(xì)化效果。如邊麗萍等在對(duì)Al-10Mg-4Si合金進(jìn)行ECAP研究時(shí)發(fā)現(xiàn),按BC路徑擠壓8道次后,合金的顯微組織由約為259nm的α-Al等軸晶和約356nm的Mg2Si顆粒組成;而經(jīng)過2A+4BA+2A路徑擠壓8道次后,α-Al晶粒被細(xì)化成平均尺寸約為的等軸晶,Mg2Si被細(xì)化成長(zhǎng)約,直徑約370nm的棒狀,尺寸明顯大于按BC路徑擠壓8道次后的晶粒。

4 ECAP對(duì)材料力學(xué)性能的影響

4.1 對(duì)強(qiáng)度、硬度的影響

在一般情況下,對(duì)材料進(jìn)行塑性變形,隨變形程度的增加,材料會(huì)發(fā)生加工硬化,即出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度升高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象,也即是所謂的加工硬化現(xiàn)象。同樣,經(jīng)過多道次ECAP變形后,材料的強(qiáng)度、硬度也都會(huì)有顯著提高,例如退火態(tài)的純銅,其硬度為78.7HV、屈服強(qiáng)度為161MPa,經(jīng)多道次的ECAP變形后,其硬度可達(dá)185.3HV、屈服強(qiáng)度可達(dá)449MPa;退火態(tài)的1060鋁,其硬度為45.2HV、抗拉強(qiáng)度為90.2MPa,經(jīng)8道次的ECAP變性后,其硬度可達(dá)78.2HV、抗拉強(qiáng)度可達(dá)261MPa。

4.2 對(duì)材料塑性的影響

大部分材料在經(jīng)過ECAP變形后,相對(duì)于其他塑性變形方法,其塑性均會(huì)有一定程度的提高,如姜巨福等對(duì)AZ91D鎂合金進(jìn)行ECAP變形后發(fā)現(xiàn),材料的延伸率由變形前的3.8%增加到變形后的10.5%,表現(xiàn)出良好的超塑性;徐德鵬在對(duì)1060鋁合金進(jìn)行不同道次ECAP變形后發(fā)現(xiàn),1060鋁合金的延伸率在第一道次下降最多,由32%下降至16.6%,從第二到第五道次延伸率穩(wěn)定下降,而第五道次之后延伸率基本不變。

5 ECAP的應(yīng)用前景

在傳統(tǒng)的塑性變形中,隨著變形程度的增加,材料的導(dǎo)電性和耐蝕性都會(huì)大幅度下降,而石鳳健等在進(jìn)行純銅的反復(fù)墩壓實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),純銅的導(dǎo)電率隨墩壓次數(shù)的增多而緩慢下降,經(jīng)15道次墩壓后純銅的導(dǎo)電率為91.7%IACS,相對(duì)于退火態(tài)純銅的導(dǎo)電率97.6%IACS下降了約6%,但其抗拉強(qiáng)度可達(dá)459.1MPa較退火態(tài)純銅的198.5MPa提高了131.3%;硬度由退火態(tài)的682.1MPa提高到1358.3MPa,提高量約為100%,這表明,可以通過劇烈塑性變形制備出具有較高強(qiáng)度、硬度,并有良好導(dǎo)電性的材料。ECAP技術(shù)作為一種通過劇烈塑性變形而獲得超細(xì)晶材料的技術(shù),如何通過擠壓或拉拔的方法獲得高強(qiáng)度高導(dǎo)電性的銅線,以便應(yīng)用于高鐵等有劇烈摩擦場(chǎng)所的供電,是今后重要的研究課題。

參考文獻(xiàn)

[1] VALIEV R Z ,ISLAMGALIEV R K,ALEXANDROV I V Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J]. Progress in Materials Science,2000,45(2).

[2] 吳世丁,李強(qiáng),姜傳斌,李廣義,王中光.銅單晶ECAE的剪切特征[J].金屬學(xué)報(bào),2000,36(6).

[3] 康志新,彭勇輝,賴曉明,李元元,趙海東,張衛(wèi)

文.劇塑性變形制備超細(xì)晶/納米晶結(jié)構(gòu)金屬材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用展望[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(4).

作者簡(jiǎn)介:王斌(1980-),男,山東青島人,青島理工大學(xué)講師,在職研究生,研究方向:機(jī)械工程。

(責(zé)任編輯:陳 倩)

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