纳米结构金属材料的塑性变形制备技术

第50卷2014年2月

V ol.50No.2

ACTA METALLURGICA SINICA 第2期Feb.2014纳米结构金属材料的塑性变形制备技术*

陶乃镕卢柯

(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,沈阳110016)

摘要本文总结了制备纳米结构金属材料的塑性变形技术,包括大应变量变形技术(冷轧、累积叠轧、等通道挤压和高压

扭转)、高应变速率变形技术(动态塑性变形)和高应变梯度变形技术(表面机械研磨和表面机械碾压),分析了变形方式及变

形参数对晶粒细化的影响规律,展望了利用塑性变形技术制备纳米结构金属材料的发展趋势及挑战.

关键词纳米结构金属材料,塑性变形,表面机械研磨,动态塑性变形,表面机械碾压

中图法分类号TG146文献标识码A 文章编号0412-1961(2014)02-0141-07

PREPARATION TECHNIQUES FOR NANO-

STRUCTURED METALLIC MATERIALS

VIA PLASTIC DEFORMATION

TAO Nairong,LU Ke

Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,

Shenyang 110016

Correspondent:TAO Nairong,professor,Tel:(024)23971891,E-mail:nrtao@

Supported by National Basic Research Program of China (No.2012CB932201)and National

Natural Science Foundation of China (Nos.51171181and 51371172)

Manuscript received 2013-12-10,in revised form 2013-12-18

ABSTRACT This work summarized the deformation techniques of preparing the nanostructured metallic materi-

als,including large-strain deformation techniques (clod rolling,accumulative cold-bonding,equal channel angular

pressing,high pressure torsion),high-strain-rate deformation technique (dynamic plastic deformation),and high-

strain-gradient deformation techniques (surface mechanical attrition treatment and surface mechanical grinding

treatment).The effects of deformation modes and deformation parameters on grain refinement are analyzed.Future

trends and challenges of the deformation techniques for preparing nanostructured metallic materials are discussed.

KEY WORDS nanostructured metallic material,plastic deformation,surface mechanical attrition treatment,dy-

namic plastic deformation,surface mechanical grinding treatment

自纳米材料概念提出以来,材料学家就开始尝试利用材料塑性变形方法制备纳米结构金属材料.与其它制备纳米材料的方法相比,塑性变形方法具有适用材料类别广、样品尺寸大、不易引入孔隙和污染等突出优点.从上世纪90年代起,塑性变形制备技术及其制备的纳米金属材料得到了广泛的研究,目前塑性变形已发展成为一种制备纳米金属材料的有效方法,并相继发展了多种制备超细晶和纳米结构材料的变形技术.这些技术具有不同的特点,其中等通道挤压(equal channel angular press-

ing/extrusion,ECAP/ECAE)[1~3]、高压扭转(high

pressure torsion,HPT)[4~6]和累积叠轧(accumulative

roll-bonding,ARB)[7~9]等技术在变形处理前后,样品

的几何尺寸不发生改变,而且能够实现大应变量的

变形;表面机械研磨(surface mechanical attrition treatment,SMAT)[10~14]和表面机械碾压(surface me-

*国家重点基础研究发展计划项目2012CB932201和国家自然科学

基金项目51171181和51371172资助收到初稿日期:2013-12-10,收到修改稿日期:2013-12-18作者简介:陶乃镕,男,1969年生,研究员DOI:10.3724/SP.J.1037.2013.00803第141-147页pp.141-

147

金属学报第50卷chanical grinding treatment,SMGT)[15,16]可以在块体材料表层实现高应变梯度的塑性变形;动态塑性变形(dynamic plastic deformation,DPD)[17~19]可以实现高应变速率的变形.下面将简单介绍冷轧(cold roll-ing)[20~22]、累积叠轧、等通道挤压和高压扭转等制备超细晶材料的技术,重点介绍本研究组自行研发的表面机械研磨、动态塑性变形和表面机械碾压等制备纳米结构材料的技术.1制备方法1.1大应变量变形制备技术1.1.1冷轧冷轧已在工业生产中广泛应用.在纳米材料研究领域,冷轧也被发展成一种制备超细晶和纳米结构材料的方法.其原理是使平板样品通过具有一定间距并相向转动的轧辊,并导致样品在厚度方向产生一定的压下量而发生塑性变形.随着样品通过轧辊次数的增加,塑性变形量不断增大,使样品中原始的粗大晶粒尺寸细化至亚微米量级,甚至是纳米量级.经室温冷轧制备的材料,其晶粒的尺寸通常为亚微米量级,随应变进一步增加,晶粒尺寸保持不变,而晶粒之间取向差逐渐增大[23,24].但当纯Cu 被冷却至液氮温度,迅速取出后立即进行冷轧,平均晶粒尺寸能够减小到22nm [25].1.1.2累积叠轧累积叠轧是1998年Saito 等在传统冷轧的基础上发展起来的、制备超细晶金属材料的技术,其基本工作原理如图1[7]所示.采用2块几何尺寸相同的平板,将表面进行脱脂及钢刷处理以获得新鲜表面,然后将2块平板叠合并固定在

一起,在室温或对加热的平板进行轧制,使2块平板

轧合成一块平板,在每次轧制中控制厚度压下量为

50%,轧制后平板厚度与轧制前平版厚度相等,长度

为轧制前的2倍.在进行下一道次累积叠轧前,将轧制后的平板切分成与轧制前几何尺寸相同的2块平板,将2块平板重复进行上述步骤的处理,实现平板大应变量的累积叠轧.与传统冷轧相比,累积叠轧后样品尺寸不变,理论上累积叠轧可以进行无限次的轧制,获得非常大的变形量,使晶粒的尺寸更小.累积叠轧也可以选择2种不同的材料进行轧制.累积叠轧的样品的微观结构与冷轧获得的结构相类似,累积叠轧纯Cu 晶粒的尺寸约为260nm [9],与室

温冷轧Cu 的晶粒尺寸相当.

1.1.3等通道挤压等通道挤压是上世纪80年代初由Segal 等[1]发展起来的一种可以实现大剪切变形量的金属成型技术,当时并没有引起学术界广泛的重视.直到上世纪90年代以后,Valiev 等[26,27]提出利用等通道挤压使材料发生剪切塑性变形从而实现晶粒细化,这种技术才引起学术界的广泛兴趣,并很快成为制备块体超细晶(ultra-fine grain,UFG)和纳米结构金属材料的方法.等通道挤压制备超细晶和纳米结构金属材料示意图如图2[28]所示.材料在外力作用下通过如图2所示的通道,并且在通道拐角处发生剪切变形,样品每次通过等通道后尺寸不发生变化,可以进行多道次的变形从而实现

大应变量累积.进行多道次等通道挤压变形时,根据样品相对前一道次是否旋转又将等通道挤压分为4种不同的变形方式:A 方式,每道次变形后,样品不做旋转以原来的方向进行下一道次的变形;C 图1累积叠轧原理示意图[7]Fig.1Schematic illustration showing the principle of accu-mulative roll-bonding process

[7]图2等通道挤压原理示意图(图中体积单元1经过剪切

变形后转变为体积单元2)[28]

Fig.2Principle of equal channel angular pressing showing

the shearing plane within the die (the elements num-

bered 1and 2are transposed by shear as indicated

in the lower part of the illustration)

[28]

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