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大塑性变形制备纳米结构金属

来源期刊：稀有金属2003年第3期

论文作者：陈光魏伟

关键词：材料加工工程; 纳米结构金属; 大塑性变形; 力学性能; 超塑性;

摘要：细化晶粒是改善材料性能的有效手段,传统的压力加工技术(如轧制、挤压、拉拔和锻造等)可以细化晶粒(微米量级).纳米结构金属由于具有很小的晶粒尺寸(20～500 nm)和独特的缺陷结构,从而表现出优异的物理力学性能.大塑性变形(SPD)具有将铸态粗晶金属的晶粒细化到纳米量级的巨大潜力,近年来已引起人们的极大关注.介绍了4种大塑性变形制备纳米结构金属的方法、原理、变形特点及应用,分析了纳米结构金属的强度和超塑性变形特征,以及当前研究中存在的主要问题,并对大塑性变形技术的应用前景进行了展望.

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稀有金属 2003,(03),361-365 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.03.012

大塑性变形制备纳米结构金属

陈光

南京理工大学金属纳米材料与技术联合实验室,南京理工大学金属纳米材料与技术联合实验室江苏南京210094 ,江苏南京210094

摘要：

细化晶粒是改善材料性能的有效手段 , 传统的压力加工技术 (如轧制、挤压、拉拔和锻造等 ) 可以细化晶粒 (微米量级 ) 。纳米结构金属由于具有很小的晶粒尺寸 (2 0～ 5 0 0nm) 和独特的缺陷结构 , 从而表现出优异的物理力学性能。大塑性变形 (SPD) 具有将铸态粗晶金属的晶粒细化到纳米量级的巨大潜力 , 近年来已引起人们的极大关注。介绍了 4种大塑性变形制备纳米结构金属的方法、原理、变形特点及应用 , 分析了纳米结构金属的强度和超塑性变形特征 , 以及当前研究中存在的主要问题 , 并对大塑性变形技术的应用前景进行了展望。

关键词：

材料加工工程;纳米结构金属;大塑性变形;力学性能;超塑性;

中图分类号： TB383

作者简介：陈　光, (Email:gchen@mail.njust.edu.cn) ;

收稿日期：2002-03-19

基金：江苏省自然科学基金项目 (BK2 0 0 10 5 3 );

Processing Nanostructured Metals by Severe Plastic Deformation

Abstract：

Grain refinement may be used to improve the performances of materials. It is well known that heavy deformation, for example, by cold rolling, extrusion, drawing or forging, can result in significant microstructure refinement at low temperature. Nanostructured metals with mean grain sizes from 20～500 nm and specific defect structures have special physicao mechanical properties. Severe plastic deformation (SPD) is an effective route to refining coarse grain size into submicrometer or nanometer regime, which has attracted attention of many scientists all over the world. Several methods, principle of SPD for nanostructured metals were presented. Strength and superplasticity behaviors of nanostructured metals were also described. Present problems, further improvements and applications of SPD were put forward.

Keyword：

engineering of materials processing; nanostructured metals; severe plastic deformation (SPD) ; mechanical properties; superplasticity;

Received： 2002-03-19

纳米结构金属由于具有很小的晶粒尺寸 (20~500 nm) 和独特的缺陷结构 (如通常含有大角度晶界) ^[1] , 从而表现出一系列优异的物理性能和力学性能。传统的压力加工技术 (如轧制、挤压、拉拔等) 可以细化晶粒 ^[2] , 然而要想采用传统的塑性加工方法制备纳米结构金属, 就必须获得很大的塑性变形 ^[3] 。由于大塑性变形具有将粗晶金属的晶粒细化到纳米量级的巨大潜力, 已引起人们的极大关注 ^[4,5,6] 。近年来出现了一些大塑性变形工艺, 如等径角挤压 ^{[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]} (Equal Channel Angular Pressing, ECAP) , 高压扭转 ^{[19,20,21,22,23]} (High Pressure and Torsion, HPT) , 叠轧合技术 ^{[24,25,26,27]} (Accumulative Roll Bonding, ARB) , 反复折皱-压直法 ^[29,30] (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS) 以及循环挤压 ^[31] 等。 SPD技术不仅可以克服纳米粉末压制成形中存在的残余孔洞和界面污染, 而且可以制备大尺寸块体纳米结构材料, 这为研究纳米结构材料独特的物理、力学性能和变形机理提供了方便, 也有利于纳米结构材料在工程构件中的应用。

材料的制备工艺和过程对材料的微观结构和宏观性能具有重要影响, 因此纳米材料的制备技术是一个很重要的课题。本文主要介绍4种大塑性变形 (SPD) 制备纳米结构金属的方法、原理及应用, 分析了纳米结构金属的强度和超塑性变形特征, 提出了当前研究中存在的问题, 并对大塑性变形晶粒纳米化技术的应用前景进行了展望。

1 SPD技术

SPD制备纳米结构金属是通过对铸态粗大晶粒的多次重复变形, 从而将晶粒尺寸细化至纳米量级。采用SPD制备纳米结构金属必须考虑以下一些因素 ^[4] : 首先, 获得具有大角度晶界的纳米结构是保证性能改善的先决条件; 其次, 试样整体上具有均一的纳米结构是保证性能稳定所必不可少的; 第三, 大塑性变形后, 试样应无破损或开裂; 尤其重要的是, 要能够在相对较低的温度和高压下获得大的塑性应变, 原则上真应变需超过6~8。

1.1 等径角挤压

20多年前Segal为获得纯剪切应变首先提出等径角挤压方法 ^[4] , Valiev等 ^[3,7] 发现利用该方法可以使材料获得大应变从而有效细化晶粒。等径角挤压利用由两个相交的等径通道组成的挤压模具来使金属获得大的塑性剪切变形, 试样变形前后的形状和尺寸不发生改变, 因而可以进行多次挤压变形, 增大变形量, 其原理如图1 (a) 所示 ^[8] 。每次挤压所获得的变形量与模具通道内的两个交角 (内角φ, 外角Ψ) 有关。当φ=90°, Ψ=0时,

图1 大塑性变形方法 (a) 等径角挤压; (b) 高压扭转; (c) 叠轧合技术; (d) 反复折皱-压直法Fig.1 Schematic illustration of several methods of severe plastic deformation

每道次的真应变可以达到1.15。纳米结构金属的性能取决于等径角挤压过程中的塑性变形行为, 这主要由挤压途径、挤压道次 ^[9,10] 、模具形状 ^[11,12] 、变形速率 ^[13,14] 和变形温度 ^[15] 等决定。

目前, 采用等径角挤压已经成功地制备了Al 和Al 合金 ^[9,10] , Mg ^[16] , Cu ^[12] , Ti 和Ti合金 ^[17] 以及部分纳米结构钢铁材料。然而等径角挤压很难制备出尺寸超过20×20×100 mm的块体纳米结构金属, 而且其操作过程是非连续性的。因此, 要在工业上广泛利用等径角挤压制备纳米结构金属, 开发等径角挤压的有效加工途径就十分迫切了。

1.2 高压扭转

Bridgman ^[18] 最早研究了静水压力对塑性变形的影响, 后来高压扭转 (图1 (b) ) 逐渐发展成为一种制备纳米结构材料的新方法。工件在压头与模具之间承受约几个GPa的压力作用, 同时由于下模的旋转, 工件还将受到剪切变形力, 从而获得很大的塑性变形。最大剪切应变值可以用下式计算 ^[4] : 。式中t为工件的厚度, r为工件的半径, N为旋转圈数。尽管γ和r存在线性关系, 但是高压扭转可以制备结构均一的纳米金属、合金、复合材料和半导体器件, 通常是直径12~20 mm, 厚度0.2~1 mm的圆片。目前, 采用高压扭转已经成功地制备了Cu ^[19,20] , Ni ^[19] , Ti ^[21] , Al和Al合金 ^[22] , Ni₃Al, Fe₃Al和NiTi金属间化合物 ^[22,23] 。由于不能制备体积更大的纳米结构材料, 使得高压扭转的应用受到了限制。

1.3 叠轧合技术

为了适应纳米结构材料的工业化生产, 日本学者Saito等提出了一种新的制备纳米结构材料的大塑性变形方法——叠轧合技术 (Accumulative Roll-Bonding, ARB) ^{[24,25,26,27]} 。在ARB中, 轧制件经过多次裁剪、堆叠、轧制, 由此获得大塑性变形, 如图1 (c) 所示。经ARB变形的Al-Mg合金 (晶粒尺寸为280 nm) 的延伸率高达220% ^[26] ; IF钢 (晶粒尺寸为420 nm) 的拉伸强度达到870 MPa, 是原始材料强度的3倍多。此外, 采用ARB还可以制备块体纳米结构复合材料 ^[28] 。

ARB不仅可以连续生产大尺寸的纳米结构材料, 而且不需要特殊的专用设备。但是, ARB生产的纳米结构材料的延展性还不是十分理想。

1.4 反复折皱-压直法

反复折皱-压直法 (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS) 是最近才出现的一种大塑性变形方法 (图1 (d) ) ^[29] 。在不改变工件断面形状的情况下, 工件经过多次反复折皱、压直后获得很大的塑性变形, 从而使晶粒细化。变形途径、晶体结构和变形方式都有助于晶粒的细化 ^[30] 。目前对反复折皱-压直变形过程的晶粒细化机理、变形行为、材料的性能等问题的研究还很不充分。

2 力学性能

经典的Hall-Petch关系式表示了晶粒尺寸 (通常大于1 μm) 与其强度、硬度之间的关系。大塑性变形制备的纳米结构金属不仅具有高强度, 并且表现出一些异常的超塑性变形行为 (低温或高应变速率超塑性) 。

2.1 强度行为

采用等径角挤压制备的纳米结构纯铜 (晶粒尺寸为210 nm) 在室温下拉伸和压缩的真应力-真应变曲线如图2所示 ^[32] 。纳米结构纯铜的变形特征可以归纳如下: (1) 拉伸和压缩的应力-应变曲线相似; (2) 拉伸屈服应力高达390 MPa, 流动应力接近500 MPa; (3) 应变硬化仅在变形开始阶段存在, 随后的变形几乎不存在应变硬化; (4) 退火温度和时间明显地影响纳米结构纯铜的变形行为, 强度不仅与晶粒尺寸有关, 而且与晶界的非平衡结构有关。

金属间化合物Fe₃Al 和TiNi经高压扭转变形后由于纳米结构的产生, 其拉伸强度高达1400~1600 MPa, 并且具有延展性 ^[23] 。

纳米结构材料独特的变形行为可能与晶界的回复和变形机制的改变有关。等径角挤压纯铜时, 1 s约有1个位错通过每个晶粒 ^[33] , 因此高的屈服应力不可能用位错塞积理论解释。最近, 有人提出了位错弓出模型来解释纳米结构材料的力学行为 ^[33] 。该模型认为, 变形开始阶段的应变硬化是由于位错密度从5×10¹⁴ m^-2增加到1×10¹⁵ m^-2, 内应力的增加阻碍了位错的弓出, 使得位错的产生变得困难, 导致持续变形所需应力增加; 另外, 位错难以从非平衡晶界处萌生, 也是造成屈服强度较高的原因之一。同时, 拉伸应力的增加激活了晶界扩散, 晶界回复程度增大, 位错通过晶界滑移和晶界运动而被吸收, 从而导致了稳态变形的出现。

2.2 超塑性

超塑性是指在一定条件下, 以较小的应力无缩颈地获得很高的延伸率, 通常变形温度为0.5~0.6, 应变速率10^-3~10^-4 s^-1。超塑性应变速率可以表示为 ^[4] : 。式中D为晶界扩散系数; G为剪切模量; b为柏格斯矢量; K为波尔兹曼常数; T为变形温度; d为晶粒尺寸; p为晶粒尺寸指数; σ为流动应力; n为应力指数。由上式可以看到, 减小晶粒尺寸, 可以获得低温或高应变速率超塑性, 这将对目前材料的

图2 纯铜 (晶粒尺寸210 nm) 在室温下的真应力-真应变曲线 (a) 拉伸; (b) 压缩Fig.2 True stress-strain curves of room-temperature compression tests for pure copper with mean grain size of 210 nm

超塑性成形加工中存在的应变速率慢、变形温度高等问题的解决, 具有重大的实际意义。

McFadden等 ^[6] 利用高压扭转法制备的Ni₃Al (晶粒尺寸50 nm) 在450 ℃就表现出超塑性, 而微米晶Ni₃Al在650 ℃的延伸率仅有20%。在300 ℃时, Al-5.5%Mg-2.2%Li-0.12%Zr 获得了5×10^-1s^-1的高应变速率 ^[22] 。 Horita等 ^[34] 利用等径角挤压Al-3%Mg-2%Sc合金, 在3.3×10^-2s^-1的条件下获得了2280%的延伸率。 Mishra等 ^[35] 还发现纳米结构的1420铝合金同时具有低温 (250 ℃) 和高应变速率 (1×10^-1s^-1) 超塑性。

3 问题与展望

大塑性变形制备的纳米结构金属具有很多诱人的使用性能和发展前景, 因而大塑性变形被认为是制备块体纳米结构材料最为有效的途径之一 ^[36] 。但是要在工业上广泛应用大塑性变形技术, 还需要对以下问题进行更深入的研究: (1) 显微组织的演变, 晶粒超细化机理的研究; (2) 纳米结构与性能 (力学性能, 物理性能等) 的关系; (3) 纳米结构的稳定性研究; (4) 模具设计、不同合金系的有效加工方式; (5) 大塑性变形过程中材料变形行为、变形机理的计算机模拟及控制; (6) 开发新的适合工业化生产的大塑性变形工艺。

大塑性变形制备纳米结构金属拓宽了传统塑性加工技术的应用领域, 不仅使传统材料的性能获得大幅度的提高, 还可以开发新材料, 这有利于节省资源, 保护环境, 实现人类的可持续发展。