2009年第二季度评述

近期贵金属科技研究方面的热点动态

(2009年第二季度评述)

 

新近的研究热点:大塑性变形理论及制备方法(1

大塑性变形近年来在普通的挤压、轧制、扭转等加工过程中能够细化晶粒这一基础上发展起来的一种新型材料加工技术。其主要技术特征为[51]:很大的塑性变形量、相对低的变形温度、变形材料内部承受高压等。

大塑性变形方法(SPD)是20世纪90年代由Valiev教授在研究纯剪切大变形试验的基础上发展起来的,与传统压力加工正应变全塑性理论不同,材料在大塑性变形时主要受到的是切应力,产生切应变[52]。利用大塑性变形,在较低温度下可使常规粗晶结构材料的微观结构显著细化为大角度晶界纳米晶结构。大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力,可以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级,从而提高材料的各项性能。已被国际材料学界公认为是制备块体纳米晶和超细晶材料的最有前途的方法[53]

通过SPD法制备块体纳米晶材料时,除了对模具、设备、变形工艺等有严格要求外,SPD法能否使材料形成纳米结构,还必需满足以下要求[51]:(1)能够在材料内部获得具有大角度晶界的超细晶粒结构,只有这样,所获得的材料才能发生质的变化;(2)整个试样中的纳米结构应该是均匀的,这是获得稳定的材料性能所必需的;(3)试样虽然经过了很大的塑性变形,但是不能产生机械损坏或裂纹。

只有同时满足以上要求,SPD法所制备的材料才是所需要的块体纳米晶材料。

目前,已经开发的SPD技术主要有以下几种:等径角挤压(Equal Channel Angular Extrusion or Pressing, ECAE or ECAP)、高压扭转(High Pressure Torsion, HPT)、累积叠轧(Accumulative Roll BondingARB)、多向锻造(Multiple ForgingMF)、循环挤压压缩(Cyclic Extrusion CompressionCEC)、反复弯曲压直(Repetitive Corrugation and StraighteningRCS)以及大比率挤压(High Radio ExtrusionHRE)等。

1.2.1 等径角挤压(ECAP

20世纪80年代,V.M. Segal在研究钢的变形结构和微观结构时,为获得纯剪切应变提出了等径角挤压方法。1992V.M. Segal第一次报道了这种方法,并进行了详细的描述,以后逐步对该方法的原理及数学计算进行了分析总结[54-62], 并与其合作者将这种方法应用于织构与超细晶的研究[63-68]

ECAP工艺中,影响材料组织和性能的工艺参数主要包括模具结构、挤压路径、挤压道次、挤压温度、挤压速度等。此外,材料的初始结构和相组成等对ECAP材料的微观组织和力学性能也有重要的影响。

由于等径角挤压能够对块体材料晶粒进行细化,获得块体纳米材料的一种最有效的加工技术,促使材料研究者对其大塑性变形过程中的应力应变作用原理、材料晶粒细化机理等方面进行了深入研究。比如黄俊霞等[69]阐述了等径角挤压的变形原理和四种典型装料方式对材料晶粒细化效果的影响,以及切变面与晶体结构和变形织构的交互作用在晶粒细化种所发挥的作用。索涛等[70]总结了近些年等径角挤压晶粒细化的机理、影响晶粒细化的因素和挤压后材料宏观力学性能的改善等,并提出了几项需要进一步深入研究的工作。R.Z.Valiev等回顾了等径角挤压制备超细晶金属和合金研究状况,对等径角挤压过程中晶粒的细化及应力、应变、滑移系、剪切带等方面给予较详细的阐述。罗蓬等在研究铸造镁合金中对等径角挤压模具的几何结构进行了设计,并提出剪切应变累积效应的度量方法。

1.2.2 高压扭转(HPT

高压扭转所用的装置最初是由Zhorin V AShashkin D P等人设计使用的。他们的设计后来被进一步发展成Bridgeman砧式装置。其装置主要由模具和压头组成,其中模具是固定的,而压头是运动的,如图1.7所示。由于试样特殊的几何形状,大部分材料在许用压力和试样外层压力的作用下(约数个GPa、类似于静压力)产生剪切变形。尽管有较大的应变值,变形后的试样仍然没有被破坏,并在大的塑性变形后获得了均匀的纳米晶结构。通常用这种方法来制备圆盘状试样,直径 10~20mm,厚度为0.2~0.5mm。大量的实验证明压头扭转1/2转以后,试样的内部微观结构就已经发生了显著的变化。进一步的扭转挤压可以使试样获得均匀的纳米晶结构。

该方法与ECEA一样,常被应用在制备块体细晶材料、超塑性合金、纳米材料等。K.S.Ng[76]研究了应力应变大小对晶粒尺寸的影响;M. Kai , Z.Horita[77]研究了在高压扭转条件下Mg-9Al合金的晶粒度大小与超塑性。结果表明,在Mg-9Al合金在高压扭转条件下很容易获得超细晶粒,且Mg-9Al合金在473K条件下具有较好的超塑性,延伸率可达810%E. Schafler[78]等调查了经过8GPa压力、约100次剪切应变的高压扭转后纯铜材料的退火温度与晶粒度和强度的关系,结果表明强度与晶粒尺寸密切相关,与传统加工后的纯铜相比,大塑性变形后纯铜晶粒尺寸开始长大的退火温度小于传统的退火温度( )。T. Tokunaga[79]采用高压扭转技术制备了铝碳复合材料,结果表明采用该技术原位制备的铝碳复合材料晶粒度约为80nm,维氏硬度为120 Hv, 抗拉强度可达253 MPa

 

 

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