大塑性变形制备块体超细晶材料的概述

大塑性变形技术(SPD)制备块体
超细晶/纳米晶材料的概述
摘要：从制备块体超细晶/纳米晶角度引出了大塑性变形技术，重点概述了等径角挤压、高压扭转、累积叠轧焊等技术；同时分析了SPD材料的强度与超塑性等性能特征，并对其未来发展做出了展望。

关键词：超细晶；大塑性变形；等径角挤压；高压扭转；超塑性
1 前言
根据晶粒尺度的不同，通常将材料分为：粗晶材料（晶粒大于1μm）；超细晶材料（晶粒大小在0.1μm到1μm之间）；纳米晶材料（晶粒小于100nm）[1]。

晶粒大小是影响多晶金属材料性能的重要因素，由亚微米级晶粒组成的超细晶/纳米晶金属材料由于具有很小的晶粒尺寸和独特的缺陷结构，在室温下不仅具有高的强度、硬度和耐磨性，而且还具有良好的塑性和韧性，在一定的温度范围内还具备超塑性，在磁性材料、催化剂、半导体等方面具有广阔的应用前景。

因此，制备大尺寸、无污染、无微孔隙且晶粒尺寸细小均匀的块体超细晶/纳米晶材料一直是人们研究的热点。

机械化合金加压成块法、电沉积法、非晶晶化法和剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation, SPD)等都可以制备块体超细晶/纳米晶材料，其中SPD被认为是最有希望实现工业化生产的有效途径之一[2]。

SPD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，其主要的变形方式是剪切变形。

组织细化的主要目的在于[3]：1)充分挖掘材料的潜能，获得满足军事和日益发展的航空航天等领域对高强高韧材料的需求；2)在较高温度下提高材料的超塑性能力，以提高零件的生产效率和开拓难变形材料如镁合金等的加工制备新途径。

Valiev教授认为，采用SPD方法制备超细晶／纳米结构金属应该满足多项条件[4]：1)大塑性变形量；2)相对低的变形温度；3)变形材料内部承受高压。

在这些原则的指导下，大塑性变形工艺得到了迅猛发展，出现了一系列的制备工艺：等通道转角挤压(ECAE)、高压扭转(HPT)、往复挤压(CEC)、累积轧制(ARB)、大挤压比挤压(HRE)、超音喷丸(USSP)等。

2 大塑性变形技术
2.1 等径角挤压（ECAE）
ECAE技术最早是在80年代初期由Sgeal等人[5]提出，用以获得材料的纯剪切变形；90年代后该技术主要制备纳米晶和超细晶材料。

与传统的塑性成形工艺相比，ECAE技术有其特殊性：一方面，因为ECAE技术使用模具的工作部分是互相交错成一定角度且横截面积相等的两个挤压通道，因而在样品的横截面积不发生改变的前提下，可以实现同一样品的重复挤压引入更大的塑性应变量；另一方面，采用ECAE技术能够将材料的晶粒组织细化到微米、超细晶甚至纳米晶范围。

ECAE变形虽然具备有强烈的细化晶粒的能力，但是一般只能制备晶粒尺寸为1μm 左右，极限大约在0.7μm左右的镁合金，且ECAE变形后虽然镁合金塑性改善较为明显，但是合金的屈服强度却有所下降，这是因为在ECAE挤压过程中所形成织构对材料的弱化作用超过了晶粒细化的强化作用，而且晶粒细化又激活了更多滑移系的结果[6]。

等径角挤压的原理如图l所示，每次挤压所获得的变形量与模具通道内的两个交角(内角ɸ，外角ψ)有关。

当ɸ=90°，ψ=0°时，每道次的真应变可以达到1.15[7]。

等通道转角挤压技术(ECAE )的特点在于：1)可以制备大体积试样；2)常见有3种不同的挤压路径，采用的挤压试样横截面为圆形或方形，直径或方形对角线一般不超过20mm；3)可以加工塑性差的材料，需采用较高温度或者较大的转角；4)不能连续变形，但可以通过设计成U 形和L 形循环等通道挤压来改善。

等通道转角挤压技术也被成功地应用于塑性变形能力较差的镁合金上。

Mabuchi等[8]利用等通道转角挤压工艺研究AZ91镁合金，成功开发出低温超塑性，在200℃(0.5%Tm)得到661%的高变形量。

图1 等通道角挤压原理图
2.2 高压扭转(HPT)
高压扭转(HPT)是大塑性变形技术(SPD)中研究较早且较深入的工艺方法，也是发展较为迅猛的技术之一，其基本原理如图2所示。

构件在冲头与模具之间承受几千个兆帕的压力作用，由于模具的旋转和摩擦力的共同作用，导致构件受强烈剪切变形力作用，使得构件尽管产生大应变塑性变形而不发生破裂。

HPT技术可以用来制备组织结构均一的纳米金属、合金、复合材料和半导体器件,它的特点在于[6]：1)构件多为盘状，尺寸较小，直径一般在10~20mm之间，厚度在0.2~0.5mm之间；2)具有强烈的晶粒细化能力，可以获得分布均匀的纳米级组织结构，平均晶粒尺寸可达到100nm 以内；3)工艺参数可调，可以方便地调整累积应变，施加压力和变形速度等。

Wadsack等[9]采用高压扭转工艺加工纯铬，将初始晶粒尺寸80μm细化到50~500nm，对细晶材料的硬度测试表明，细晶材料的硬度是没有变形的相同材料的4倍。

高压扭转工艺的缺点也很显而易见，GPa 级的高压要求使得该工艺对模具的要求很高；而且在如此高压下，难以制备出大尺度的块体超细晶材料,使得高压扭转的应用受到了很大限制[10]。

图2 高压扭转原理图
2.3 累积叠轧焊
累积叠轧焊(Accumulative roll-bonding, ARB)是由日本大阪大学SAITO 等[11]首次提出并逐步发展起来的一种变形方法。

目前，由于ARB工艺易于在传统轧机上实现，制备的板材具有层压复合钢板的特性，因此可用于各种材料的制备中。

其原理是一个材料的不断堆叠和轧焊的过程(见图3) 。

在该过程中，首先将一块原始板材有序地放置于另一块板材上面，通过传统轧焊加工使板材轧焊在一起，在必要的时候对堆层之间进行表面处理以提高其结合强度，然后从中间板材剪开分成两部分，再将这两部分进行表面处理、堆叠，然后进行循环轧焊[12]。

整个过程需在低于再结晶温度的高温条件下进行，若温度过高易使材料出现再结晶，将抵消叠轧过程中所产生的累积应变；若在较低温条件下则将导致延展性及结合强度的下降。

轧制是制备板材最具优势的塑性变形工艺，但随着压下量的增加，材料尺寸相应减小，材料的总应变量将受到限制。

在ARB加工过程中，当每次轧制压下量维持在50% 的时候，板材轧制过程中产生的宽度变化可以忽略，因而可获得高塑性应变并保持材料的几何形状不发生变化。

然而，由于在轧焊过程中产生极大的累积塑性应变，导致板材尤其是多次循环轧焊后产生边缘裂纹。

目前，采用ARB工艺加工的材料大多为具有较好延展性及塑性变形能力的金属材料，比如纯铝、铜及铁，通过ARB工艺对这些材料可制备出超细晶材料，同时不出现任何裂纹。

图3 累积叠轧焊原理图
2.4 其他SPD 工艺
除上述一些常用SPD 工艺外，还有一些其他SPD工艺方法在各种金属中也得到实际应用。

往复挤压(Cyclic Extrusion Compression，CEC)技术也属于大塑性变形技术，可用来制备亚微米级超细晶材料。

往复挤压是在有缩颈区的挤压筒中放入坯料，一侧冲头进入挤压筒时，另一侧冲头静止不动，坯料通过缩颈区时先经挤压后经过压缩，随后坯料在另一侧冲头作用下被反向压回，完成一个循环过程[6]。

坯料经反复挤压和压缩后，塑性变形程度很大，因此可以得到超细晶甚至纳米晶组织，其基本原理如图4所示。

图4 往复挤压原理图
多向锻造(Multiple forging, MF)是20 世纪90年代提出的对块状试样加工成形获得超细晶组织的一种新型方法。

该技术的原理等同于多次自由锻造过程，即依次沿不同的轴向锻压材料，在变形过程中晶粒因发生动态再结晶而得到细化，其原理如图 5 所示。

材料在锻造过程中由于不同锻造区域材料变形的不均匀性导致MF工艺制备的材料存在组织不均匀现象，其均匀性均低于等通道转角挤压变形和高压扭转变形的，然而该工艺的变形温度通常在0.1Tm~0.5 Tm( Tm 为金属熔点)之间。

由于变形温度较高，并可在用具上施加较小压力，因而此方法可用于脆性材料，并在合适的温度和应变速率条件下可获得到超细晶结构[12]。

图5 多向锻造工艺示意图
3 SPD 金属材料的力学性能
3.1 强度和延展性
一般来说，无论是通过从成分变化、热机械加工还是通过相变等方法所获得的具有高强度的材料，其延展性往往出现相应下降的现象。

尽管如此，与常规变形工艺相比，如轧制、冲压和挤压等，金属材料经SPD 工艺变形后其延展性能的降低程度却相对较小。

在相关研究中发现，部分材料经SPD 工艺获得的超细晶金属结构材料不仅增强了强度，其延展性能也得到提高。

目前，对于SPD 工艺变形材料的强度和延展性能均得到提高的具体原因做出如下三种相关解释[13]。

第一种解释认为：即随着应变量的增加，非平衡晶界及大角度晶界的含量不断增加，这些具有大角度晶界的超细等轴晶粒将阻碍位错的运动，从而提高材料强度；同时，当非平衡晶界不断出现时，滑移相对变得容易，并由于晶界滑移和晶格转动发生的趋势增加从而导致随后主要变形机制发生改变，一般认为粗大晶粒的主要变形机制为位错蠕变，而超细晶粒的主要变形机制则为晶界滑移，晶界滑移及晶格转动的发生均可提高材料的延展性能；第二种解释则认为由于晶粒尺寸呈纳米晶超细晶的双峰式分布状态使材料的延伸性能都得到提高；第三种解释是基于纳米结构金属体内形成第二相颗粒从而提高材料的强度和延展性能，这些第二相颗粒可对应变过程中的剪切带传播进行修改，从而提高合金的延展性能。

3.2 超塑性
超塑性是指晶体材料在受到拉伸应力时，显示出很大的伸长率而不产生缩颈与断裂现象，其伸长率一般大于100%，有些材料的伸长率甚至可达到1000%。

通常情况下，具有良好超塑性材料的晶粒尺寸小于10 µm 并在高于0.5Tm( Tm 为材料熔点) 高温条件下成形。

而晶粒尺寸作为超塑性材料的一个重要结构参数，对材料的超塑性变形有着重要的作用。

近年来，剧塑性变形方法已广泛应用于Al 、Mg、Cu和Ti 等金属材料，并取得到了良好的超塑性。

SPD 金属材料的超塑性变形，一方面由于金属材料经SPD 变形可获得超细晶粒。

另一方面则是合金经SPD 变形后可得到更高含量的大角度晶界。

晶界是晶界滑移和超塑流变的先决条件，大角度晶界含量的增加有利于更多的晶界参与晶界滑移和超塑流变[14]。

4 总结与展望
综上所述，剧烈塑性变形是一种有效的制备超细晶乃至纳米晶结构材料的方法，SPD 材料表现出优良的力学性能、独特的物理和化学性能、优异的超塑性，已广泛应用于各种金属材料的制备中。

但目前多数SPD 方法可加工的工件尺寸往往很小，并且需要大功率的设备及昂贵的模具，导致其难以广泛应用于工业生产中，如ECAP 和HPT 工艺；另外，一些SPD 方法存在工件在变形过程中出现疲劳裂纹的问题，如ARB。

因此，仍需对SPD技术的制备工艺、细晶结构的均匀性和稳定性展开深入细致的研究，实现技术可操作化、成本低廉化及产业化。

SPD作为一种较为新兴的制备超细晶材料技术，必将在塑性加工领域产生深远的影响。

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