大塑性变形技术的研究进展

大塑性变形技术的研究进展

1超细晶织物的制备提高和改善金属结构的有效途径之一。采用传统的锻造、挤压、轧制以及随后的再结晶退火处理工艺,尽管其晶粒尺寸最小可达10μm并形成变形织构和/或再结晶织构,但仍难以满足对高性能材料的要求。采用大塑性变形(SeverePlasticDeformation,SPD)技术制备的材料通常具有超细晶(Ultra-FineGrained,UFG)组织,可获得晶粒尺寸小于1μm的UFG材料并形成一些特殊的织构组分,因此具有优异的力学性能和使用性能,这主要是由SPD技术的变形特征所决定的。在SPD工艺中,作用于材料上的真应变可超过4.0,所以这些经过大塑性变形后的材料可具有UFG组织。而材料在SPD过程所承受的独特的应力状态还可使材料形成不同于普通塑性变形所形成的变形织构和退火处理所形成的再结晶织构,从而使材料的性能得以提高,如对于铝合金,由于冷轧和随后的退火处理会形成强烈的{100}〈001〉立方织构,难以获得优异的冲压性能,而采用SPD工艺制备的带材则可形成常规加工难以得到的{111}//ND类型的织构,从而提高其冲压性能。所以,SPD技术已经得到广大研究者和工业界的重视,近些年研究者也提出了多种SPD工艺,并对其进行了大量的研究。本文系统介绍了几种SPD工艺,对其基本原理和工艺进行了阐述,分析比较了各工艺的优缺点,并对一种新的SPD技术即等径角轧制工艺进行了介绍。2约束板带剪切制备目前,已经开发的SPD技术主要有以下几种工艺:等径角挤压(EqualChannelAngularExtrusionorPressing,ECAEorECAP)工艺、连续剪切(Conshearing)工艺、连续约束板带剪切(ContinuousConfinedStripShearing,C2S2)工艺、等径角轧制(EqualChannelAngularRolling,ECAR)工艺、累积叠轧(Accumulativeroll-Bonding,ARB)工艺、高压扭转(HighPressureTorsion,HPT)工艺、多向锻造(MultipleForging,MF)工艺、循环挤压压缩(CyclicExtrusionCompression,CEC)工艺、连续反复弯曲(ContinuousCyclicBending,CCB)工艺以及反复弯曲矫直(RepetitiveCorrugationandStraightening,RCS)工艺等。2.1ecea制备工艺ECAE工艺作为一种通过大塑性变形获得大尺寸UFG块体材料的有效方法之一,是20世纪80年代初由前苏联科学家Segal等在研究钢的微观组织和变形织构时提出的。该工艺是通过2个轴线相交且截面尺寸相等的通道,将被加工材料挤出,其基本原理如图1所示。在加工过程中,因通道转角的作用,材料发生剪切变形从而产生大的剪切应变,由此导致位错的重排而使晶粒得到细化并形成新的剪切变形织构。在ECAE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、挤压路径和挤压道次、挤压温度、挤压速度等。此外,材料的初始微观结构和相组成等对ECAE材料的微观组织和力学性能也有重要的影响。该工艺中,材料发生的等效应变量不仅取决于挤压道次、通道夹角,还与模具外侧圆弧角度等有关,其总应变εN计算公式如式(1):εN=N{2cot(ϕ/2+ψ/2)+ψcos(ϕ/2+ψ/2)3√}(1)εΝ=Ν{2cot(ϕ/2+ψ/2)+ψcos(ϕ/2+ψ/2)3}(1)式中:N为挤压道次,ϕ为两通道内侧夹角,ψ为外侧圆弧角。目前,世界上许多研究者对ECAE进行了大量的研究,这可能是因为该工艺除了ECAE模具和压力机外,无需其它特殊设备,在实验室比较容易进行。虽然ECAE可用于制备大块材料,但通常其制备的试样尺寸仍然很小且难以实现连续生产。近10多年来对ECAE工艺制备铝合金、钛合金、镁合金、铜合金、钢等材料已经进行了广泛的研究。2.2基于卫星辊的一种大辊级模具从实际应用的角度来看,ECAE工艺尽管可以批量加工,却难以连续生产,也难以加工薄板、带材等。因此,Saito等提出了一种连续剪切工艺即Conshearing工艺,其基本原理如图2所示。在Conshearing工艺中,用几个小轧辊(卫星辊)和1个大轧辊(中心辊)作为工作轧辊,轧辊线速度相同,在这些轧辊产生挤压力的作用下,使板、带材连续通过模具转角。为了能使板材连续正常咬入并防止板材皱褶,在各卫星辊之间设有引导靴。在这种装置上可实现板、带材的连续剪切变形,且通过多次轧制可产生很大的剪切变形。但为了使板、带材顺利通过模具转角,模具通道夹角不能很小(如90°)。该工艺已成功应用于制备铝合金带材,其结果表明可有效细化晶粒,形成剪切变形织构,提高铝合金板材的冲压性能。2.3双辊轧轧双辊液压系统基本装置在ecoa与Conshearing工艺类似,Lee等提出另一种连续ECAE工艺即C2S2工艺。C2S2工艺也能够实现带材的连续简单剪切变形,其基本装置如图3所示。在该工艺中,采用普通的双辊轧机作为送料装置,但为了将材料顺利送入ECAE模具,需在下辊表面加工出凹槽以增大其表面粗糙度。因此,与普通轧制板、带材相比,该工艺所制备的样品表面质量非常差。与Conshearing工艺类似,其通道夹角也较大,一般在100~140°之间。采用该工艺对铝及其合金、钢等的研究表明,可获得与ECAE材料类似的UFG组织和剪切变形织构。2.4ecar变形特点上述2种工艺虽然均可实现板、带材的连续剪切变形,产生大的塑性变形从而获得UFG组织并形成剪切变形织构,进而大大改善和提高材料的性能。但同时可看到,对于Conshearing工艺,需要用带有行星辊的特殊轧机来实现,而C2S2工艺由于在轧辊表面有凹形槽,严重影响了带材的表面质量。此外,对于C2S2工艺还需借助送料辊与带材之间的摩擦力来提供变形力,增大了模具损耗,增加了模具加工精度要求。结合这些工艺的优缺点,作者在对镁合金板材的研究中提出了一种连续ECAE工艺即ECAR工艺,并针对镁合金的变形特点设计了在普通双辊热轧机上进行实验的ECAR装置,如图4所示。该工艺采用普通双辊热轧机,将ECAR模具安装于轧机出口处,ECAR模具与ECAE模具类似,主要结构参数包括进口和出口通道高度H、两通道夹角θ、通道内侧圆弧半径r、通道外侧圆弧角ψ和半径R。在ECAR过程中,板材首先通过两轧辊产生一定的轧制压下变形,然后利用板材与轧辊之间的摩擦力将板材送入模具进口通道,并使之通过模具转角,发生剪切变形。该工艺的关键在于防止板材发生剪切变形时失稳起皱,而模具结构、通道与板材间的摩擦力以及板材与通道之间的间隙均对板材的皱褶有很大影响,此外这些因素还影响到单道次轧制板材的应变量。与ECAE工艺相比,ECAR工艺利用普通轧机代替ECAE工艺中的压力机来提供变形力,单纯依靠轧制过程中板材与轧辊间产生的无效的摩擦力来提供动力。ECAR工艺还无需单独的挤压杆,从而可制备厚度很薄的板材。与Conshearing工艺和C2S2工艺相比,ECAR工艺采用普通双辊轧机,无需特殊轧制设备或对轧辊进行其它加工,且制备的板材表面质量也较好,并降低了模具设计和加工精度要求。由于Conshearing工艺、C2S2工艺以及ECAR工艺与ECAE均是利用剪切变形来实现大塑性变形,且这3种工艺的模具结构也与ECAE模具类似,所以其剪切应变量的近似计算也可采用式(1),但是当板材与模具通道之间存在间隙时,其应力应变状态将发生改变,式(1)不再适用。目前,采用该工艺已经成功制备出性能良好、尺寸规格达800mm×120mm(长×宽)、厚度1.4~2mm的镁合金板材,与未经ECAR加工的AZ31镁合金板材相比,塑性提高1倍以上且强度基本未发生改变,室温下极限拉深比由1.2提高到1.6以上。2.5其他材料的制备ARB工艺的主要原理如图5所示,其具体过程如下:首先在对板材进行普通的轧制变形后,将板材均分为两份并叠加,然后再轧制至原来的厚度,如此反复进行,从而可实现很大的变形而厚度不发生变化。因此ARB工艺不仅是一个轧制变形过程,还包含一个焊合的过程(叠轧焊合)。所以为了取得好的焊合效果,获得良好的结合界面,在每道次叠轧前,必须对材料进行表面处理,采用钢丝刷等去除材料表面的油污、杂质、氧化物等。研究表明,在ARB工艺中材料并不存在难以焊合的问题,对于低碳钢甚至在室温下也可产生良好的焊合。但是,为了能取得好的焊合效果,表面处理是必不可少的。此外,在每道次叠轧过程中还存在一个临界压下量,当压下量低于该值时难以充分焊合。虽然临界压下量取决于材料、变形温度等,但一般每道次的压下量必须超过35%,所以与普通轧制相比该工艺的轧制力比较大。ARB工艺除了要求轧机具有较大的功率以实现每道次大压下量的叠轧焊合外,对设备并无其它特殊要求。在ARB工艺中,一个严重的问题就是开裂。因为ARB工艺的累积总应变很大且其应力状态又较差,所以板材常常会发生边裂现象,特别是在轧制道次较多时。在某些材料如Al-Mg合金中,其边部裂纹往往会扩展至板材中心,在这种情况下就不可能继续进行ARB加工。但研究表明[18,19,20,21,22,23],对于大多数金属材料而言,通过一些技术改进则可避免裂纹的产生,从而可制得成形良好的大尺寸板材。目前,ARB工艺已成功用于铝合金、铜合金、镍、钢等材料的制备。2.6mf变形温度与应变量的关系MF工艺是由Salishchev等提出的一种制备UFG材料的方法,通常与动态再结晶联系在一起。MF工艺的实质是一个反复多向镦粗与拔长的自由锻造过程,其原理如图6所示。该工艺的变形温度通常在0.1Tm~0.5Tm(Tm金属熔点)之间,由于变形温度较高,可用来加工塑性较差的材料并降低对设备吨位的要求。但是,MF工艺中材料处于平面压缩应力状态,当材料变形较大时在边部容易出现破裂,同时又由于在高温下变形,晶粒容易长大,所以为了获得最佳的晶粒细化效果,必须选择合理的工艺规程,严格控制变形温度和应变量。此外,MF工艺制备的材料还存在组织不均匀现象,这也是由锻造过程中不同锻造区域材料变形的不均匀性所致。目前,对钛、钛合金、镁合金、镍基合金等材料的MF工艺研究表明,采用该工艺可有效细化晶粒,获得UFG组织。2.7试样尺寸的变化HPT工艺是通过压杆向置于固定不动的模具中的盘状材料施加很高的压力同时压杆作旋转运动,从而实现扭转剪切变形的一种工艺,其基本原理如图7所示。在HPT工艺中,盘状试样可在高达几个吉帕的压力下发生扭转变形。在变形过程中,试样的尺寸不发生改变,所以在试样的外侧可引入很大的剪切应变。由于模具的作用,材料在许用压力和试样外层压力的作用下,在类似于静压力的条件下发生剪切变形,因此尽管其应变量较大,试样仍不易发生破裂。从图7不难看出,材料的剪切应变是由压杆的旋转所引入的,因此剪切应变量的大小随材料所处位置的半径不同而不同,应变速率也是如此,所以HPT工艺制备材料存在从中心向外侧组织不均匀的现象。但由于HPT工艺通常只用于小薄片盘状试样的加工,对这种组织的不均匀性可忽略,因此该工艺也不具备实际的应用价值,但或许具有一定的科学研究价值。目前HPT工艺已成功用于铝合金、铜、钢等块体UFG材料的制备。2.8cec工艺与rcs工艺除了上述几种SPD工艺外,还有一些其它的SPD工艺。图8(a)为CEC工艺示意图,其主要特点是首先通过挤压使试样横截面积减小,随之又通过压缩使其横截面积恢复到初始尺寸,如此反复进行从而获得大的塑性变形,即该工艺是一个反复挤压与压缩相结合的过程。虽然该工艺所加工的材料尺寸有限,但在其加工过程中可使材料处于静水压力状态,有效避免了材料的破裂。关于CEC工艺的报道很少,已有研究表明该工艺可制备铝、陶瓷颗粒强化铝基UFG材料。CCB工艺是通过反复弯曲与反弯曲来实现材料塑性变形的,该过程类似于板材的矫直工序,如图8(b)所示。在CCB工艺中,虽然一个弯曲道次在材料表面产生的最大应变比较小,但该工艺的反复加工非常容易进行,因此通过多道次弯曲后材料的累积应变量仍然较大。现有的研究表明,该工艺并未制备出UFG材料,这可能是CCB工艺中的反复变形(弯曲与反弯曲)不利于晶粒细化。RCS工艺的主要原理与CCB工艺类似,即弯曲与反弯曲变形,其差异主要在于单道次的应变量不同(如图8(c)所示)。此外,在RCS工艺中,随着模具圆角半径的减小,每道次应变量增加,则不可避免地会产生应变局部化的现象。对铜的研究表明,采用RCS工艺可获得UFG组织。3spd工艺缺陷总之,SPD技术的一个根